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AVR-GCC-Codeoptimierung

2015-12-06T16:35:16Z

Mfgkw: /* Puffern von volatile-Variablen */

Entstanden aus diesem [http://www.mikrocontroller.net/topic/66690 Thread] sollen hier ein paar Hinweise/Erfahrungen gegeben werden, um den Quellcode in Punkto Größe und Geschwindigkeit zu optimieren. ''En detail'' ist das Thema komplex, da es stark von der Codeoptimierung des Compilers abhängt. Es ist im Einzelfall ratsam zu prüfen, ob die eigenen Maßnahmen auch erfolgreich waren. Die Diskussionen [http://www.mikrocontroller.net/topic/132624] bzw. [http://www.mikrocontroller.net/topic/180800#new] können als Anhaltspunkte dienen, wie eine solche Prüfung ablaufen kann.

== Prinzipien der Optimierung ==

Wie so oft sollte man nicht einfach wild drauf los optimieren und sich zunächst ein paar Dinge klar machen.

* Warum will ich optimieren?
* Was kann man sinnvoll optimieren?
* Wieviel Rechenzeit oder Speicher soll dabei gespart werden?
* Wie kann optimiert werden?
* '''"Verfrühte Optimierung ist die Wurzel allen Übels!"'''

Viele Optimierungen sind "Angst-Optimierungen", die nicht wirklich nötig sind. Die Gefahr mit Optimierungen ist, den Code tot zu optimieren, sprich Lesbarkeit, Portierbarkeit und ggf. Fehlerfreiheit sinken massgeblich. Kurz und knapp in diesem [http://blogs.msdn.com/b/audiofool/archive/2007/06/14/the-rules-of-code-optimization.aspx BLOG] formuliert.

=== Warum ===

Optimieren sollte man nur, wenn
* der Speicher nicht mehr ausreicht (RAM, Flash)
* Die Laufzeit für bestimmte Programmteile zu groß wird und somit bestimmte (Echtzeit-)Ausgaben nicht im erforderlichen Zeitrahmen erledigt werden

Weiter sollte man folgende Punkte gegeneinander abwägen:

* Codeverbrauch
* Datenverbrauch. Statisch/Stack/Heap
* Mittlere Laufzeit/maximale Laufzeit
* Entwicklungszeit
* Portabilität (Compiler, Hardware, ...)
* Verständlichkeit der Quelle, siehe [[Strukturierte Programmierung auf Mikrocontrollern]]
* ABI-Konformität

=== Was ===

Die goldene Regel lautet:

'''90% der Rechenleistung werden in 10% des Codes verbraucht.'''

Diese 10% muss man finden und zum richtigen Zeitpunkt optimieren. Der Rest muss nur sauber und lesbar geschrieben sein. Was jedoch nichts bringt, ist eine Funktion, die von 1 Minute Programmlaufzeit lediglich 1 Sekunde verbraucht, um den Faktor 10 schneller zu machen. Die Programmlaufzeit sinkt dann von 60 Sekunden auf 59.9 Sekunden. Der Aufwand, die Funktion um einen Faktor 10 schneller zu machen ist aber meistens beträchtlich! Kann ich aber den Code, der für die 59 Sekunden verantwortlich ist um lediglich einen Faktor 2 schneller machen (was immer noch oft schwer genug ist, aber auf jeden Fall leichter als ein Faktor 10), dann sinkt die Gesamtlaufzeit von 60 Sekunden auf 30.5 Sekunden. Dort bringt Optimieren augenscheinlich viel mehr!

Um die optimierungswürdigen Stellen zu finden, muss man sein Programm analysieren. Dazu gibt es verschiedene Möglichkeiten.

====Speicherverbrauch nach Funktionen aufschlüsseln====

;map-File:
:dort sind alle globalen und statischen Variablen enthalten. Eine Map-Datei kann mit den GNU-Tools während des Linkens angelegt werden:
::<pre>> avr-gcc ... -Wl,-Map,foo.map</pre>
: Die Option -Wl bewirkt, daß avr-gcc die angehängen Optionen unverändert an den Linker weiterreicht. Dieser erzeugt dann das Mapfile "foo.map", eine Textdatei.
;avr-size: Mit Tools wie avr-size kann die Platzbelegung einzelner Module ermittelt werden:
::<pre>> avr-size -x foo1.o foo2.o ...</pre>
:bzw. die Platzbelegung der elf-Datei:
::<pre>> avr-size foo.elf</pre>
;avr-nm:
::<pre>> avr-nm --size-sort -S foo.elf</pre>
:ergibt eine Liste mit der Größe aller Objekte: der erste Spalte enthälte die Adresse, die zweite Spalte die Größe, die dritte den Typ und die vierte Spalte den zugehörigen Symbolnamen. Der Typ ergibt sich aus der folgenden Zuordnung, wobei Großbuchstaben globale Symbole kennzeichnen und Kleinbuchstaben Symbole, die Modul-lokal sind:
:;T/t: Objekte in der text-Section: Funktionen, Daten im Flash
:;D/d: Objekte im data-Segment (initialisierte Daten)
:;B/b: Objekte im bss-Segment (Null-initialisierte Daten)

;avr-gcc: Der Compiler hat bereits Informationen über die übersetzten Funktionen, die man direkt zur Analyse verwenden kann. Dazu lässt man avr-gcc die Assembler-Ausgabe, die ohne weiteres Zutun nur als temporäre Datei angelegt wird, abspeichern. Etwa für die Quelldatei foo.c:
::<pre>> avr-gcc -save-temps foo.c -c ...</pre>
:Die Assembler-Datei wird damit als foo.s angelegt und nicht gelöscht. (Das ebenfalls angelegte Präcompilat foo.i wird nicht benötigt). Für jede Funktion gibt avr-gcc 3.4.x im Prolog einen Kommentar der Form<ref>Für avr-gcc 4.x sehen die Kommentare anders aus oder fehlen je nach Compilerversion ganz</ref>
::<pre>/* prologue: frame size=0 */</pre>
:aus, was die Größe des aktuellen Frames angibt. Dies ist der Platz auf dem Stack, der für lokale Variablen benötigt wird. Am besten ist es, wenn die Frame-Size wie im Beispiel gleich 0 ist. Ansonsten sollte man versuchen, diese Größe auf Null zu bringen. Für Variablen, die nicht in Registern gehalten werden können, müssen Speicherzugriffe in den Stack erzeugt werden. Diese machen das Programm sowohl größer aus auch langsamer. Zudem reserviert avr-gcc bei solche Funktionen das Y-Register als Frame-Pointer; das Y-Register steht damit nicht mehr für lokale Variablen zur Verfügung was sich ebenfalls ungünstig auf die Codegüte auswirkt. Ein Grund für das Anlegen eines Frames können zu viele lokale Variablen sein (zB lokale Puffer/Arrays) oder lokale Variablen/Strukturen/Parameter mit ungünstigen Größen, etwa eine 3-Byte große Struktur.

: Neben dieser Information gibt avr-gcc Kommentare der Gestalt
::<pre>/* prologue end (size=2) */</pre>
:aus die darüber informieren, wie viele Register auf dem Stack gesichert wurden.

: Zusammen mit Werkzeugen wie grep, die in jedem Linux und jeder WinAVR-Distribution enthalten sind, findet man schnell Übeltäter wie Funktionen mit Frame.

;Assembler-Code sichten: Ein kurzer Blick auf den erzeugten Assembler-Code zeigt oft, wie gut der Compiler den Code umgesetzt hat. Den erzeugten Assembler-Code zu überfliegen ist wesentlich zeitsparender als selbst in Assembler zu programmieren. Je nach Gusto verwendet man zur Einsicht den Assembler-Code, den avr-gcc ausgibt (s.o.), Assembler-Dumps des Assemblers, List-Files oder HEX-Dumps. Siehe auch<ref>[http://rn-wissen.de/index.php/Assembler-Dump_erstellen_mit_avr-gcc roboternetz.de: Assembler-Dump erstellen mit avr-gcc]</ref>

;Hilfsmittel: einkaufen oder selber bauen. Es gilt herauszufinden, welche Funktion massig Stack durch lokale Variablen verbraucht. Stacktracer können das. Wenn man keinen hat, dann muss man sich eben selber einen bauen, indem man den Stackpointer mitloggt. Zur Not einen Code-Review machen: Alle Funktionen optisch durchgehen und die identifizieren, die viele Variablen anlegen. Dann die Aufrufhierarchie der Funktion feststellen: Wirken sich die vielen Variablen überhaupt aus oder entsteht mein Problem durch eine tiefe Funktionsaufrufhierarchie, bei der zwar wenige Variablen pro Funktion im Spiel sind, aber die Menge der ineinandergeschachtelten Aufrufe 'das Kraut fett macht'
;Profitools: können das alles fast auf Knopfdruck, kosten aber viel Geld

====Laufzeit messen====

*Simulator
*In Echtzeit mittels Testpin, welche an Anfang einer Funktion/Blocks gesetzt wird und am Ende wieder gelöscht wird. Mit einem [[Oszilloskop]] kann man so sehr einfach die Laufzeit messen.

; Anmerkung: Solche Messverfahren liefern immer nur eine ''untere'' Schranke für die Laufzeit, niemals eine obere Schranke. Eine obere Schranke, wie man sie etwa in sicherheitsktitischen Systemen benötigt, liefert eine statische Codeanalyse.

=== Wieviel ===

Der Aufwand von Optimierungen wächst exponentiell. Die letzten paar Prozent brauchen überproportional viel Aufwand.

=== Wie ===

Meist muss man die Wahl treffen ob man Speicher oder Rechenzeit sparen will, beides gleichzeitg geht meist nicht. Das Konzept heißt 'Space for Time' und kann in beide Richtungen verwendet werden. Als Beispiel soll eine komplizierte Berechnung dienen. Diese kann man relativ kompakt in eine Funktion packen, welche dann aber eher langsam ist. Oder man benutzt eine sehr große Tabelle, in welcher die Ergebnisse schon für jeden Eingangswert vorausberechnet wurden. Diese Lösung ist sehr schnell, verbraucht aber sehr viel Speicher.

* Inlining von Funktionen erhöht den Speicherverbrauch, senkt aber die Laufzeit. Beispiel: Funktion A ist 50 Byte groß und wird 10 mal im Programm aufgerufen. Ein Aufruf kostet 10 Byte:
** Ohne Inline: 10 * 10Byte + 50 Byte = 150 Byte Platzverbrauch
** Mit Inline: 10 * 50 Byte = 500 Byte
* Optimierer einschalten
* möglichst keine Floating Point Operationen, besser ist meist [[Festkommaarithmetik]]
* Formeln umstellen und zusammenfassen
* Variablen so klein wie möglich, uint8_t wo's nur geht.
* Wirklich zeitkritische Funktionen und Interrupts als Assemblercode in separater Datei

== GCC-Optionen ==

=== Optimierungs-Level ===

avr-gcc kennt mehrere Optimierungsstufen:
;<tt>-O0</tt>: Keine Optimierung des erzeugten Codes. Diese Optimierungsstufe optimiert den Resourcenverbrauch des ''Hostrechners'' und die Nachvollziehbarkeit der erzeugten Codes anhand von Debug-Information. Alle lokalen Variablen werden auf dem Stack angelegt und nicht in Registern gehalten. Es werden keine komplexen Optimierungsalgorithmen angewandt; lediglich Konstanten wie 1+2 werden zu 3 gefaltet.

;<tt>-O1</tt>: Je höher die Optimierungsstufe, desto schwieriger ist der erzeugte Code nachvollziehbar — auch mit Debugger. Diese O-Stufe ist ein Kompromiss zwischen aggressiver Optimierung und Nachvollziehbarkeit des erzeugten Codes. Ein ehernes Gesetz in GCC ist, dass er den gleichen Code erzeugen muss unabhängig davon, ob Debug-Information erzeugt wird oder nicht. Im Umkehrschluss erlaubt volle Debug-Unterstützung nicht alle Optimierungen, wozu diese Optimierungsstufe dient.

;<tt>-O2</tt>: Optimierung auf Geschwindigkeit. Für AVR nur mässig sinnvoll, da sich der Codezuwachs nicht in einen entsprechenden Geschwindigkeitszuwachs transformiert. Dies liegt vor allem daran, daß Sprünge und Funktionsaufrufe auf AVR im Vergleich zu anderen Architekturen sehr billig sind. Es bringt also kaum einen Geschwindigkeitszuwachs, einen Block zu kopieren um einen Sprung zu sparen. Hingegen vergrößert dies den Code deutlich.

;<tt>-O3</tt>: Dito. Auf Teufel-komm-raus Funktionen zu inlinen, Schleifen aufzurollen oder gar Funktionen mehrfach für unterschiedliche Aufruf-Szenarien zu implementieren, ist auf einem kleinen µC wie AVR der Overkill.

;<tt>-Os</tt>: Optimierung auf Codegröße. Die bevorzugte Optimierungsstufe für AVR und viele andere µC.

Jede O-Option ist ein Sammlung von verschiedenen Schaltern, welche bestimmte Optimierungsstrategien aktivieren. Um zu sehen, welche Schalter dies genau sind, erzeugt man wie oben beschrieben mit den Schalten
-save-temps -fverbose-asm
die Assembler-Ausgabe von gcc und schaut die Optionen im s-File nach. Einzelne Optionen lassen sich gezielt aktivieren bzw. deaktivieren und damit zum Beispiel zum <tt>-Os</tt>-Paket hinzufügen.

Eine Ausnahme bildet <tt>-O0</tt>: Hier ist Code-Optimierung generell deaktiviert, und Optimierungsschalter bleiben ohne Wirkung.

=== Feinabstimmung der Optimizer ===

Kandidaten für Optimierungsoptionen sind folgende Schalter. <tt>-m</tt> kennzeichnet maschinenspezifische Schalter, die nur für AVR gültig sind. <tt>-f</tt> bzw. <tt>-fno-</tt> sind maschinenunabhängige Schalter, die auch für andere Architekturen verfügbar sind.

;<tt>-fno-split-wide-types</tt>: Je nach Quelle kann die Deaktivierung von <tt>-fsplit-wide-types</tt> besseren Code ergeben.

;<tt>-fno-inline-small-functions</tt>: Relativ kleine Funktionen /immer/ zu inlinen kann den Code unnötig vergrößern, dieser Schalter unterbindet das automatische Inlinen kleiner Funktionen.

;<tt>-finline-limit=</tt>''wert'': Maximalwert für automatisch geinlinte Funktionen. In einschlägigen Foren werden kleine Werte für ''wert'' vorgeschlagen, z.B. 1…3

;<tt>-mcall-prologues</tt>: Die für aufwändige Funktionen mitunter recht langen push/pop-Sequenzen werden durch Hilfsfunktionen ersetzt. Das kann vor allem bei grossen Programmen Platz sparen. Die Ausführungszeit steigt an.

;<tt>-fno-jump-tables</tt>: Switch-Statements werden hierdurch mitunter deutlich kürzer.

;<tt>-fno-move-loop-invariants -fno-tree-loop-optimize</tt>: Einige Schleifenoptimierungen, welche die Registerlast erhöhen und für AVR kaum zu einem Geschwindigkeitszuwachs führen, werden deaktiviert.

;<tt>-fno-tree-switch-conversion</tt>: Neue GCC-Versionen können switch/case Anweisungen u.U. in Lookup-Tabellen umwandeln, die im RAM abgelegt werden, siehe auch [http://gcc.gnu.org/PR49857 PR49857]. Dieser Optimierung ist bei RAM-Knappheit in Betracht zu ziehen, bring aber natürlich nur dann etwas, wenn diese Optimierung auch ausgeführt wurde.

;<tt>-fno-optimize-sibling-calls</tt>: Ab 4.7 wirksam: Tailcall-Optimierung kann den Code vergrößern, wenn Epiloge mehrfach erzeugt werden. In diesem Fall deaktiviert man die Tailcall-Optimierung.

;<tt>-maccumulate-args</tt>: Ab 4.7: Funktionen, die mehrere printf-artige Aufrufe enthalten und viele Artumente per Stack an diese übergeben, werden u.U kleiner.

;<tt>-mstrict-X</tt>: Ab 4.7: Beeinflusst die Art und Weise, wie das X-Register zur Adressierung verwendet wird.

;<tt>-mbranch-cost=</tt>''wert'': Ab 4.7: Setzt die Kosten, mit der der Compiler einen bedingten Sprunge veranschlagt. Default-Wert ist ''wert''<tt>=0</tt>.

;<tt>-fno-caller-saves</tt>: Kann zu effizienteren Pro-/Epilogen beitragen.

;<tt>-fno-tree-ter</tt>: Es gibt Fälle, in denen der Compiler die Berechnung temporärer Variablen über volatile-Zugriffe und Memory-Barriers zieht, siehe [http://gcc.gnu.org/PR53033 PR53033]. Von der C-Spezifikation her ist dies zulässig, kann aber zu unerwünschter Umsortierung der volatile-Operation führe, z.B. wenn es sich dabei um eine <tt>SEI</tt>-Instruktion handelt. Ohne diese Optimierung wird der Code evtl. etwas größer, aber Probleme wie im PR beschrieben können vermieden werden.

;<tt>--param case-values-threshold=</tt>''wert'': Ab 4.7: Schwellwert an Einträgen in einem switch/case, ab dem anstatt eines binären if/else-Entscheidungsbaums eine Sprungtabelle zu den case-Labels erzeugt wird. Voreinstellung ab 4.7 ist ''wert''<tt>=7</tt>. Ältere Compilerversionen verwenden andere Werte. Siehe auch <tt>-f[no-]jump-tables</tt>.

Generell gilt für all diese Optionen, daß sie abhängig vom Projekt zu einer Codeverbesserung oder -verschlechterung führen können — dies ist i.d.R. vom Projektcode abhängig.

=== Linker-Optionen ===

;<tt>-ffunction-sections -Wl,--gc-sections</tt>: Der Linker wirft nicht referenzierte Sections weg, was die Codegröße günstig beeinflussen kann. Diese Optimierung verkleinert den Code nur dann, wenn nicht verwendete Funktionen in der Anwendung rumgammeln. Weil der Linker nur auf Section-Ebene optimieren kann, muss zusätzlich der Compiler mit <tt>-ffunction-sections</tt> aufgerufen werden, um die Anwendung auf möglichst viele Sections zu verteilen.

;<tt>-Wl,--relax -mrelax</tt>: Der Linker fasst Tail-Calls wie
::<tt>CALL some_function RET</tt>
: zusammen als
::<tt>JMP some_function</tt>
: Siehe auch die Compiler-Option <tt>-f[no-]optimize-sibling-calls</tt> von oben. Zudem wird <tt>CALL</tt> umgewandelt zur kürzeren <tt>RCALL</tt>-Instruktion falls das Sprungziel im ±4 KiB-Zielbereich von <tt>RCALL</tt> liegt. Analog für <tt>JMP</tt> zu <tt>RJMP</tt>.

: Die beiden Optionen sind gleichwertig; die erste Variante veranlasst den Compiler, den Linker mit <tt>--relax</tt> aufzurufen. Die zweite Variante verwendet den allgemeinen <tt>-Wl</tt>-Mechanismus, um eine Option von der Compiler-Kommandozeile an den Linker durchzureichen.

=== Weitere Optionen ===

;<tt>-mtiny-stack</tt>: Der Compiler ändert nur das Low-Byte des Stackpointers (SP), was auf Controllern mit 16-Bit SP zu kleinerem Code führen kann. Benötigt der Code Platz auf dem Stack, so erzeugt der Compiler u.U. Code, der den SP liest, einen Offset aufaddiert/abzieht und den SP dann zurückschreibt. Dies ist aufwändig. Für den Fall, daß sich dabei das High-Byte SP nicht ändert, kann Code eingespart werden.

:Beispiel: ATtiny44 hat RAM von <tt>0x60</tt> bis <tt>0x15f</tt>. Braucht die Anwendung nicht mehr als <tt>0x60</tt> = 96 Bytes an Stack, dann kann mit <tt>-mtiny-stack</tt> compiliert werden.

=== Änderung des Binärinterfaces per Option ===

{{Warnung|
;Warnung: Im Gegensatz zu den Optionen der vorherigen Abschnitte, bei denen es sich um reine Optimierungsoptionen handelt, ändern die folgenden Optionen das Binärinterface (ABI) des vom Compiler erzeugten Codes und sind daher nur nach eingehender Prüfung anzuwenden! Wird eine Anwendung mit diesen Schaltern übersetzt, dann ist sicher zu stellen, daß ''alle'' Module inclusive Libraries damit derzeugt werden oder die ABI-Änderung sich nicht auf Code in Bibliotheken auswirkt!
}}

Vorsicht in auch deshalb geboten, weil manche Entwicklungsumgebungen wie "Atmel Studio" das ABI ''per Default'' verändern und ohne daß der Anwender es extra anfordert.

;<tt>-funsigned-char</tt>: Anders als im avr-gcc ABI ist der Typ <tt>char</tt> unsigned anstatt signed.
:Besser: Verwende die C99-Typen wie <tt>uint8_t</tt> aus dem C99-Header <tt>stdint.h</tt>.

;<tt>-funsigned-bitfields</tt>: Bitfelder mit Basetype <tt>char</tt>, <tt>short</tt>, <tt>int</tt> <tt>long</tt> und <tt>long long</tt> werden als unsigned implementiert anstatt als signed wie in der avr-gcc ABI.
:Besser: Wenn ein Bitfeld unsigned sein soll, dann mach es unsigned!

;<tt>-fpack-struct</tt>: Im Gegensatz zur avr-gcc ABI werden Strukturen und Unions per default gepackt.
:Besser: Wenn ein zusammengesetzter Typ gepackt werden soll, mache ein Typedef mit explizitem <tt>__attribute__((packed))</tt>!

;<tt>-fshort-enums</tt>: Enum-Typen werden so kurz wie möglich implementiert anstatt als <tt>int</tt> gemäß avr-gcc ABI.

;<tt>-mint8</tt>: Ein <tt>int</tt> ist nur nocht 8 Bits breit. Dies entspricht nicht mehr dem C-Standard und wird nicht durch die C-Bibliotheken wie AVR-Libc oder newlib unterstützt! Die Codegröße von 8-Bit Operationen kann sich verkleinern, weil andere Integer-Promotion Regeln angewandt werden. Literals müssen ggf. angepasst bzw gecastet werden, siehe auch C99-Makros wie <tt>UINT16_C</tt> aus <tt>stdint.h</tt>.

== Anpassungen der Quelle ==

=== Attribute noreturn, OS_main und OS_task ===

Mikrocontroller-Programme laufen normalerweise in einer Endlosschleife, so dass die main-Routine nie verlassen wird.
Teilt man dies dem Compiler mit, kann er bestimmte Optimierungen durchführen.
So ist es zum Beispiel unnötig, Code zum Sichern und Zurücklesen von Registern zu erzeugen.

Das Mitteilen funktioniert beim gcc über Attribute, die man der Deklaration oder bei der Implementierung einer Funktion anhängt:
<syntaxhighlight lang="c">static void main_loop (void) __attribute__((noreturn));
void main_loop (void)
{
while (1)
{
// Hauptschleife
}
}</syntaxhighlight>
oder
<syntaxhighlight lang="c">static void __attribute__((noreturn))
main_loop (void)
{
while (1)
{
// Hauptschleife
}
}</syntaxhighlight>

Die Funktion <tt>main_loop</tt> kann dann in <tt>main</tt> aufgerufen werden:

<syntaxhighlight lang="c">int main (void)
{
main_loop();

return 0;
}</syntaxhighlight>
Das abschließende <tt>return</tt> wird vom Compiler wegoptimiert und belegt keinen Speicher.

<tt>avr-gcc</tt> kennt weiterhin die Attribute <tt>OS_main</tt> und <tt>OS_task</tt>.
Die Verwendung von <tt>OS_main</tt> kann etwa aussehen wie folgt. Natürlich kann auch wie oben die Hauptschleife in einer eigenen Funktion implementiert werden, und das <tt>return</tt> verursacht keinen zusätzlichen Code:
<syntaxhighlight lang="c">int __attribute__((OS_main))
main (void)
{
while (1)
{
// Hauptschleife
}

return 0;
}</syntaxhighlight>

=== Statische Variablen in einer Struktur sammeln ===

Gibt es in einem Programm mehrere inhaltlich zusammengehörende Variablen, dann ist es sinnvoll diese in einer Struktur zu vereinigen. Neben einer klareren Programm- bzw. Datenstruktur kann dies auch zu kleinerem Code führen.

Beispiel ist die folgende kleine Routine, welche die Zeit in der globalen <tt>time</tt>-Strukture um eine Sekunde erhöht:

<syntaxhighlight lang="c">
#include <stdint.h>

typedef struct
{
uint8_t second;
uint8_t minute;
uint8_t hour;
} time_t;

// Globale time-Struktur enthält die Zeit
time_t time;

void next_second (void)
{
// Zeiger auf die globale time-Struktur
time_t *ptime = &time;

// time um 1 Sekunde erhöhen

if (++ptime->second == 60)
{
ptime->second = 0;

if (++ptime->minute == 60)
{
ptime->minute = 0;

if (++ptime->hour == 24)
ptime->hour = 0;
}
}
}
</syntaxhighlight>

Die Funktion enthält mehrere indirekte Zugriffe auf die <tt>time</tt>-Struktur, und es wäre günstig, wenn <tt>avr-gcc</tt> indirekte Adressierung für die Zugriffe verwendet: Alle Zugriffe geschehen über den Struktur-Zeiger <tt>ptime</tt>, und ein indirekter Zugriff per <tt>LD</tt>, <tt>LDD</tt>, <tt>ST</tt> oder <tt>STT</tt> kostet 2 Bytes, während die direkten Spreicherzugriffe <tt>LDS</tt> und <tt>STS</tt> jeweils 4 Bytes verbrauchen.

<tt>avr-gcc</tt> erzeugt mit Optimierung auf Größe jedoch folgenden Code:

<syntaxhighlight lang="c">
next_second:
// if (++ptime->second == 60)
lds r24, time
subi r24, -1
sts time, r24
cpi r24, 60
brne .L1
// ptime->second = 0;
sts time, __zero_reg__
// if (++ptime->minute == 60)
lds r24, time+1
subi r24, -1
sts time+1, r24
cpi r24, 60
brne .L1
// ptime->minute = 0;
sts time+1, __zero_reg__
// if (++ptime->hour == 24)
lds r24,time+2
subi r24, -1
sts time+2, r24
cpi r24, 24
brne .L1
// ptime->hour = 0;
sts time+2, __zero_reg__
.L1:
ret
</syntaxhighlight>
D.h. obwohl der C-Code indirekt zugreift, enthält das Compilat direkte Zugriffe und der Code belegt 56 Bytes an Flash. Grund ist, daß der Compiler den Inhalt der Variablen <tt>ptime</tt> kennt und daher die indirekten Struktur-Zugriffe in direkte umwandelt.

Um indirekte Adressierung im erzeugten Code zu erzwingen, kann man die Struktur-Adresse als Parameter übergeben:
<syntaxhighlight lang="c">
void next_second (time_t *ptime)
</syntaxhighlight>
oder – als hässliche Lösung – dem Compiler des Wissen um den Inhalt von <tt>ptime</tt> per Inline-Assembler nehmen:
<syntaxhighlight lang="c">
asm ("" : "+r" (ptime));
</syntaxhighlight>

Dies führt denn zu folgendem Code, der um 25% kleiner ist und nur noch 42 Bytes Flash belegt:
<syntaxhighlight lang="c">
next_second:
// time_t *ptime = &time;
// asm ("" : "+r" (ptime));
ldi r30, lo8(time)
ldi r31, hi8(time)
// if (++ptime->second == 60)
ld r24, Z
subi r24, -1
st Z, r24
cpi r24, 60
brne .L1
// ptime->second = 0;
st Z, __zero_reg__
// if (++ptime->minute == 60)
ldd r24, Z+1
subi r24, -1
std Z+1, r24
cpi r24, 60
brne .L1
// ptime->minute = 0;
std Z+1, __zero_reg__
// if (++ptime->hour == 24)
ldd r24, Z+2
subi r24, -1
std Z+2, r24
cpi r24, 24
brne .L1
// ptime->hour = 0;
std Z+2, __zero_reg__
.L1:
ret
</syntaxhighlight>

Weil AVRs nur zwei Zeiger-Register haben, die über diese Addressierungsart verfügen (Y und Z), ist diese Optimierung nur eingeschränkt anwendbar.

Werden etwa Z oder Y für andere Zwecke benötigt – etwa für Flash-Adressierung per <tt>LPM</tt> oder Y als Frame-Pointer gebraucht – verkleinert sich das Anwendungsfeld noch weiter. Zudem müssen genügend Struktur-Zugriffe nacheinander erfolgen, damit ein positiven Effekt auf die Codegröße zustande kommt. Immerhin muss die Adresse geladen werden, das Zeiger-Register wird belegt und steht nicht für andere Variablen zur Verfügung, und im Falle von Y kommen <tt>PUSH</tt>/<tt>POP</tt> im Prolog/Epilog hinzu. Werden viele unterschiedliche Struktur-Pointer verwendet ("viele" relativ zur Anzahl der verfügbaren Pointer-Registern), kann die Codegröße auch ansteigen.

Direkte Zugriffe sind in jedem Falle schneller, denn direkte und indirekte Zugriffe kosten die gleiche Zeit. Die Indirekten Zugriffe erfordern jedoch die Initialisierung des Zeiger-Registers und evl <tt>PUSH</tt>/<tt>POP</tt>.

=== Multiplikationen mit Konstanten ===

Der Compiler instanziiert sofort eine teure allgemeine Bibliotheksfunktion, auch wenn es anders ginge. Ich hatte eine einzige 32-bit Multiplikation mit 10 drin, die mir ein mulsi3 beschert hat. Mit a = (b<<3) + (b<<1) geht es in dem Fall kürzer. Wie gesagt, map-File beobachten.

;Anmerkung: Variablen als unsigned definieren, dann sollte der Compiler das selbst machen.

;Anmerkung: Auch Schieben ist teuer auf AVR. Schauen wir uns also mal an, was aus folgendem Code wird:

<syntaxhighlight lang="c">
uint32_t foo (uint32_t i)
{
return i*10;
}

uint32_t bar (uint32_t i)
{
return (i << 1) + (i << 3);
}
</syntaxhighlight>

{{Scrollbox|15ex;|
<pre>
00000032 <foo>:
32: 2a e0 ldi r18, 0x0A ; 10
34: 30 e0 ldi r19, 0x00 ; 0
36: 40 e0 ldi r20, 0x00 ; 0
38: 50 e0 ldi r21, 0x00 ; 0
3a: 19 d0 rcall .+50 ; 0x6e <__mulsi3>
3c: 08 95 ret

0000003e <bar>:
3e: 26 2f mov r18, r22
40: 37 2f mov r19, r23
42: 48 2f mov r20, r24
44: 59 2f mov r21, r25
46: 22 0f add r18, r18
48: 33 1f adc r19, r19
4a: 44 1f adc r20, r20
4c: 55 1f adc r21, r21
4e: e3 e0 ldi r30, 0x03 ; 3
50: 66 0f add r22, r22
52: 77 1f adc r23, r23
54: 88 1f adc r24, r24
56: 99 1f adc r25, r25
58: ea 95 dec r30
5a: d1 f7 brne .-12 ; 0x50 <__SREG__+0x11>
5c: 26 0f add r18, r22
5e: 37 1f adc r19, r23
60: 48 1f adc r20, r24
62: 59 1f adc r21, r25
64: 95 2f mov r25, r21
66: 84 2f mov r24, r20
68: 73 2f mov r23, r19
6a: 62 2f mov r22, r18
6c: 08 95 ret

0000006e <__mulsi3>:
6e: ff 27 eor r31, r31
70: ee 27 eor r30, r30
72: bb 27 eor r27, r27
74: aa 27 eor r26, r26

00000076 <__mulsi3_loop>:
76: 60 ff sbrs r22, 0
78: 04 c0 rjmp .+8 ; 0x82 <__mulsi3_skip1>
7a: a2 0f add r26, r18
7c: b3 1f adc r27, r19
7e: e4 1f adc r30, r20
80: f5 1f adc r31, r21

00000082 <__mulsi3_skip1>:
82: 22 0f add r18, r18
84: 33 1f adc r19, r19
86: 44 1f adc r20, r20
88: 55 1f adc r21, r21
8a: 96 95 lsr r25
8c: 87 95 ror r24
8e: 77 95 ror r23
90: 67 95 ror r22
92: 89 f7 brne .-30 ; 0x76 <__mulsi3_loop>
94: 00 97 sbiw r24, 0x00 ; 0
96: 76 07 cpc r23, r22
98: 71 f7 brne .-36 ; 0x76 <__mulsi3_loop>

0000009a <__mulsi3_exit>:
9a: 9f 2f mov r25, r31
9c: 8e 2f mov r24, r30
9e: 7b 2f mov r23, r27
a0: 6a 2f mov r22, r26
a2: 08 95 ret

</pre>
}}

: Der Funktionsaufruf samt Lib-Funktion ist garnicht sooo teuer. Bereits mit zwei Multiplikationen im Programm — auch einer Multiplikation mit einer anderen Konstanten oder einer Variablen — gewinnt die lib-Version, da der Code wiederverwendet wird. Übrigens sind diese Multiplikationsroutinen und auch die in die libgcc enthaltenen Divisionen keine "normalen" Funktionen wie sie von C erzeugt werden. avr-gcc weiß genau, welche Register diese Routinen belegen und welche nicht. Damit ist der Aufruf einer solchen Funktion billiger als ein herkömmlicher Funktionsaufruf, bei dem die Funktion als Blackbox behandelt werden muss, die alle call-clobbered Register zerstört.

=== Alle Variablen nur so breit wie nötig ===

Hatte ich eigentlich schon, nur an einigen wenigen Stellen war ich da etwas nachlässig. Mitunter reicht ein kleinerer Typ doch, wenn man z. B. vorher geeignet skaliert. Am besten nur die skalaren Typen aus <stdint.h> verwenden, das erleichtert auch das Folgende. Bei RAM Knappheit: kann ich Strings sinnvollerweise aus dem RAM ins Flash verbannen? Kann ich es mir leisten mehrere Flag-Variablen in ein Byte zusammenzufassen, auch wenn dann die Zugriffe möglicherweise etwas langsamer werden.

=== Logische Operatoren werden auf int-Größe erweitert ===

Obwohl der AVR ein 8-Bit Controller ist, verlangt der C-Standard, daß ein <tt>int</tt> mindestens 16 Bits groß ist. Wegen den Promotion-Regeln von C werden 8-Bit Operanden in Operationen auf 16 Bits aufgeweitet. Beispiel:

<syntaxhighlight lang="c">
#include <stdint.h>

uint8_t c;

void foo (uint8_t a, uint8_t b)
{
if (a == ~b)
c = 0;
}
</syntaxhighlight>
Den zweiten Operanden mit dem Komplement weitet der Compiler auf 16 Bit auf, wodurch alle high-Bits von <tt>~b</tt> gesetzt werden. Der Compiler erkennt, daß der Vergleich niemals wahr ist und optimiert ihn weg:
<syntaxhighlight lang="c">
foo:
ret
</syntaxhighlight>

Ein Cast verhindert dieses:
<syntaxhighlight lang="c">
void foo (uint8_t a, uint8_t b)
{
if (a == (uint8_t) ~b)
c = 0;
}
</syntaxhighlight>
was übersetzt wird zu:
<syntaxhighlight lang="c">
foo:
// if (a == (uint8_t) ~b)
com r22
cpse r24, r22
rjmp .L1
// c = 0
sts c, __zero_reg__
.L1:
ret

</syntaxhighlight>

;Achtung: Tatsächlich handelt es sich dabei nicht um ein Optimierungsproblem, sondern einen typischen Programmierfehler. Die beiden Varianten sind keineswegs identisch! Bei Variablen vom Typ <tt>uint8_t</tt> ist der Ausdruck <tt>(a == ~b)</tt> immer falsch! Dies unterstreicht mehr als eindringlich, daß eine gute Kenntnis der Programmiersprache das A und O jedes erfolgreichen Programmierers ist. Kenne zuallerst mal deine Programmiersprache - und zwar auch in den intimen Details!

=== Speichern von globalen Flags ===

Oft werden in den Programmen Flags verwendet um beispielsweise eingetroffene Interrupts in der main-Routine auszuwerten. Hierzu wird üblicherweise eine globale Variable verwendet.

Um den Wert dieser Variable abzufragen, muss sie jedoch erst aus dem SRAM in ein Register geladen werden, und kann dann erst auf ihren Status hin überprüft werden. Eine Möglichkeit ist, der globalen Variablen ein einziges Register fest zuzuordnen:
<syntaxhighlight lang="c">
register uint8_t counter8_1 asm("r2");
register uint8_t counter8_2 asm("r3");
register uint16_t counter16_1 asm("r4"); // r4:r5
register uint16_t counter16_2 asm("r6"); // r6:r7
</syntaxhighlight>
siehe auch: http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/FAQ.html#faq_regbind

Als Alternative kann man ein nicht verwendetes Register des I/O-Bereichs verwenden. Dabei würde sich z. B. das Register eines zweiten UARTs, oder das EEPROM-Register anbieten, falls diese nicht benötigt werden.

Neuere AVR-Modelle besitzen für diesen Zweck 3 frei verwendbare Bytes im bitadressierbaren I/O-Bereich: GPIOR0-2, die neueren ATXmegas haben sogar 16 Stück!

{{Warnung|
;Warnung: Dieses Vorgehen verändert das ABI! Um dieses Feature fehlerfrei anzuwenden, ist einiges an Wissen über die Interna von GCC notwendig. Auch ein korrekt funktionierendes Programm ist keine Garantie dafür, daß die globalen Register fehlerfrei implementiert wurden. Unter Umständen bringen erst spätere Codeänderungen/-erweiterung den Fehler zum Vorschein, und weil der Fehler vorher nicht akut war, sucht man sich den Wolf an der falschen Stelle im Code anstatt bei der globalen Registern. Siehe auch [[Globale Register]].}}

=== Puffern von volatile-Variablen ===

Der Compiler behandelt volatile-Variablen bei mehreren Manipulationen wie heiße Kartoffeln. Für jeden einzelnen Vorgang wiederholt sich das Spiel:

* aus dem Speicher holen
* bearbeiten
* zurückspeichern

Unter Umständen ist dieses Verhalten unsinnig. Ein Minimalbeispiel:

<syntaxhighlight lang="c">
volatile char var;

ISR()
{
var++;

if (var > 100)
var = 0;
}

void main (void)
{
while (1)
printf (var);
}
</syntaxhighlight>

Hier wird '''var''' pro [[ISR]]-Ausführung zwei mal aus dem RAM geholt und zurückgeschrieben. Das ist überflüssig, weil die Interruptroutine nicht unterbrochen werden kann. Aus Sicht der ISR bräuchte man eigentlich kein volatile, kann es aber wegen des Zugriffs aus main heraus nicht weglassen. Eine Lösung findet sich im folgenden Schnipsel:

<syntaxhighlight lang="c">
volatile char var;

ISR()
{
char temp = var;

if (++temp > 100)
temp=0;

var = temp;
}

void main (void)
{
while (1)
printf (var);
}
</syntaxhighlight>

Hier wird die globale Variable '''var''' in der lokalen Variable '''temp''' gepuffert. Ein Nachteil durch das Anlegen von '''temp''' ergibt sich nicht, da das dafür verwendete Register für die Manipulation sowieso benötigt wird.

Wie alle Optimierungen kann dieses Vorgehen auch nach hinten losgehen: Wenn Laden und Zurückspeichern von '''var''' weit auseinanderliegen (extrem lange ISR), müllt man sich die Register zu. Im schlimmsten Fall wird '''temp''' sogar zwischenzeitlich auf dem Stack ausgelagert.

=== Schleifen ===

Bei Schleifen, die eine bestimmte Anzahl an Durchläufen ausgeführt werden sollen, ist es besser den Schleifenzähler vorher auf einen Wert zu setzen, und am Ende einer Do-While Schleife diesen zu dekrementieren.
So beschränkt sich die Sprungbedingung auf ein brne (branch if not equal).

Beispiel:
<syntaxhighlight lang="c">
uint8_t counter;
counter = 100;
do
{
// mach irgendetwas
} while (--counter);
</syntaxhighlight>

Achtung: Derartige Optimierungen sind meistens zweifelhaft und sehr Compilerabhängig. Compiler betreiben aufwendige Code- und Datenflussanalysen, in denen sie viele Dinge ins Kalkül ziehen, die ein menschlicher Programmierer im Regelfall nicht mehr überblicken kann. Von einem ordentlichen Compiler kann erwartet werden, dass er derartige Umstellungen (sofern sie möglich sind) in Eigenregie erledigt. Auch wenn es einzelne Compiler bzw. Compilerversionen gibt, in denen ein manueller Umbau einer derartigen Schleife tatsächlich eine Verbesserung bringt, sollte man immer im Hinterkopf behalten, dass sich in der nächsten Compilerversion alles umdrehen kann. Im Zweifelsfall lieber die Schleifenvariante benutzen, die der Situation angemessen ist und die den gewünschten Vorgang am klarsten beschreibt. Wenn dieser Vorgang im weitesten Sinne einen Countdown darstellt, dann ist natürlich nichts gegen eine derartige Schleifenkonstruktion einzuwenden.

=== Schiebeoperationen ===

Oft benötigt man Schiebeoperationen, um Daten Bit für Bit zu [[Bitmanipulation | verarbeiten]], z.B. für [http://www.mikrocontroller.net/articles/AVR-Tutorial:_Schieberegister Soft]-[[SPI]]. Hier empfiehlt es sich DRINGEND, möglichst nur Schiebeoperationen mit konstanten Verschiebungszähler durchzuführen, diese sind auf dem AVR deutlich schneller als Schiebeoperationen mit Variablen, welche meist durch mehrfache Funktionsaufrufe mit Scheifen etc. gelöst werden. Dabei verwendet man oft konstante Bitmasken, um die einzelnen Bits nacheinander zu maskieren.

Noch schneller geht das Schieben von Konstanten um einen konstanten Wert, denn das macht der Compiler bei eingeschalteter Optimierung noch während des Compilierens. Gerade für schnelle IO-Operationen kommt dann meist nur ein einziger ASM-Befehl heraus (sbi, cbi).

Ebenso ist es wenig empfehlenswert, 32 oder gar 64 Bit Datentypen zu schieben, das dauert sehr lange. Besser ist es, die Daten als Array von 8 Bit Werten zu handhaben und diese zu schieben, das ist meist deutlich schneller. Gute Beispiele findet man [http://www.mikrocontroller.net/topic/179566#1729219 hier] und [http://www.mikrocontroller.net/topic/169509#1631439 hier].

<syntaxhighlight lang="c">
#define DATAPORT PORTD
#define IO-BIT PD4

uint8_t a, b, i;

i=5
a = b << i; // variabler Verschiebewert, langsam
a = b << 5; // konstanter Verschiebewert, schnell

DATAPORT |= (1<<IO-BIT); // alles Konstanten, sehr schnell
</syntaxhighlight>

==Optimierung der Ausführungsgeschwindigkeit==

Hierzu gibt es schon eine Application-Note von Atmel. Diese AppNote bezieht sich auf den IAR-Compiler. Die darin genannten "Optimierungen" sind für avr-gcc größtenteils obsolet oder bleiben bestenfalls ohne Effekt.

Weblinks:
* [http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc1497.pdf AVR035]: Efficient C Coding for AVR
* [http://en.wikipedia.org/wiki/Program_optimization Program optimization] auf Wikipedia, engl.
* [http://bleaklow.com/2012/06/20/sensor_smoothing_and_optimised_maths_on_the_arduino.html Sensor smoothing and optimised maths on the Arduino] - Multiplikation vs. Division

== Fußnoten ==
<references/>

== Links ==
[http://www.atmel.com/Images/doc8453.pdf Atmel AVR4027]: Tips and Tricks to Optimize Your C Code for 8-bit AVR Microcontrollers ([http://www.atmel.com/Images/AVR4027.zip Beispiel-Code])

[[Category:avr-gcc]]

AVR-GCC-Codeoptimierung

2015-12-06T16:20:43Z

Mfgkw: /* Was */

Entstanden aus diesem [http://www.mikrocontroller.net/topic/66690 Thread] sollen hier ein paar Hinweise/Erfahrungen gegeben werden, um den Quellcode in Punkto Größe und Geschwindigkeit zu optimieren. ''En detail'' ist das Thema komplex, da es stark von der Codeoptimierung des Compilers abhängt. Es ist im Einzelfall ratsam zu prüfen, ob die eigenen Maßnahmen auch erfolgreich waren. Die Diskussionen [http://www.mikrocontroller.net/topic/132624] bzw. [http://www.mikrocontroller.net/topic/180800#new] können als Anhaltspunkte dienen, wie eine solche Prüfung ablaufen kann.

== Prinzipien der Optimierung ==

Wie so oft sollte man nicht einfach wild drauf los optimieren und sich zunächst ein paar Dinge klar machen.

* Warum will ich optimieren?
* Was kann man sinnvoll optimieren?
* Wieviel Rechenzeit oder Speicher soll dabei gespart werden?
* Wie kann optimiert werden?
* '''"Verfrühte Optimierung ist die Wurzel allen Übels!"'''

Viele Optimierungen sind "Angst-Optimierungen", die nicht wirklich nötig sind. Die Gefahr mit Optimierungen ist, den Code tot zu optimieren, sprich Lesbarkeit, Portierbarkeit und ggf. Fehlerfreiheit sinken massgeblich. Kurz und knapp in diesem [http://blogs.msdn.com/b/audiofool/archive/2007/06/14/the-rules-of-code-optimization.aspx BLOG] formuliert.

=== Warum ===

Optimieren sollte man nur, wenn
* der Speicher nicht mehr ausreicht (RAM, Flash)
* Die Laufzeit für bestimmte Programmteile zu groß wird und somit bestimmte (Echtzeit-)Ausgaben nicht im erforderlichen Zeitrahmen erledigt werden

Weiter sollte man folgende Punkte gegeneinander abwägen:

* Codeverbrauch
* Datenverbrauch. Statisch/Stack/Heap
* Mittlere Laufzeit/maximale Laufzeit
* Entwicklungszeit
* Portabilität (Compiler, Hardware, ...)
* Verständlichkeit der Quelle, siehe [[Strukturierte Programmierung auf Mikrocontrollern]]
* ABI-Konformität

=== Was ===

Die goldene Regel lautet:

'''90% der Rechenleistung werden in 10% des Codes verbraucht.'''

Diese 10% muss man finden und zum richtigen Zeitpunkt optimieren. Der Rest muss nur sauber und lesbar geschrieben sein. Was jedoch nichts bringt, ist eine Funktion, die von 1 Minute Programmlaufzeit lediglich 1 Sekunde verbraucht, um den Faktor 10 schneller zu machen. Die Programmlaufzeit sinkt dann von 60 Sekunden auf 59.9 Sekunden. Der Aufwand, die Funktion um einen Faktor 10 schneller zu machen ist aber meistens beträchtlich! Kann ich aber den Code, der für die 59 Sekunden verantwortlich ist um lediglich einen Faktor 2 schneller machen (was immer noch oft schwer genug ist, aber auf jeden Fall leichter als ein Faktor 10), dann sinkt die Gesamtlaufzeit von 60 Sekunden auf 30.5 Sekunden. Dort bringt Optimieren augenscheinlich viel mehr!

Um die optimierungswürdigen Stellen zu finden, muss man sein Programm analysieren. Dazu gibt es verschiedene Möglichkeiten.

====Speicherverbrauch nach Funktionen aufschlüsseln====

;map-File:
:dort sind alle globalen und statischen Variablen enthalten. Eine Map-Datei kann mit den GNU-Tools während des Linkens angelegt werden:
::<pre>> avr-gcc ... -Wl,-Map,foo.map</pre>
: Die Option -Wl bewirkt, daß avr-gcc die angehängen Optionen unverändert an den Linker weiterreicht. Dieser erzeugt dann das Mapfile "foo.map", eine Textdatei.
;avr-size: Mit Tools wie avr-size kann die Platzbelegung einzelner Module ermittelt werden:
::<pre>> avr-size -x foo1.o foo2.o ...</pre>
:bzw. die Platzbelegung der elf-Datei:
::<pre>> avr-size foo.elf</pre>
;avr-nm:
::<pre>> avr-nm --size-sort -S foo.elf</pre>
:ergibt eine Liste mit der Größe aller Objekte: der erste Spalte enthälte die Adresse, die zweite Spalte die Größe, die dritte den Typ und die vierte Spalte den zugehörigen Symbolnamen. Der Typ ergibt sich aus der folgenden Zuordnung, wobei Großbuchstaben globale Symbole kennzeichnen und Kleinbuchstaben Symbole, die Modul-lokal sind:
:;T/t: Objekte in der text-Section: Funktionen, Daten im Flash
:;D/d: Objekte im data-Segment (initialisierte Daten)
:;B/b: Objekte im bss-Segment (Null-initialisierte Daten)

;avr-gcc: Der Compiler hat bereits Informationen über die übersetzten Funktionen, die man direkt zur Analyse verwenden kann. Dazu lässt man avr-gcc die Assembler-Ausgabe, die ohne weiteres Zutun nur als temporäre Datei angelegt wird, abspeichern. Etwa für die Quelldatei foo.c:
::<pre>> avr-gcc -save-temps foo.c -c ...</pre>
:Die Assembler-Datei wird damit als foo.s angelegt und nicht gelöscht. (Das ebenfalls angelegte Präcompilat foo.i wird nicht benötigt). Für jede Funktion gibt avr-gcc 3.4.x im Prolog einen Kommentar der Form<ref>Für avr-gcc 4.x sehen die Kommentare anders aus oder fehlen je nach Compilerversion ganz</ref>
::<pre>/* prologue: frame size=0 */</pre>
:aus, was die Größe des aktuellen Frames angibt. Dies ist der Platz auf dem Stack, der für lokale Variablen benötigt wird. Am besten ist es, wenn die Frame-Size wie im Beispiel gleich 0 ist. Ansonsten sollte man versuchen, diese Größe auf Null zu bringen. Für Variablen, die nicht in Registern gehalten werden können, müssen Speicherzugriffe in den Stack erzeugt werden. Diese machen das Programm sowohl größer aus auch langsamer. Zudem reserviert avr-gcc bei solche Funktionen das Y-Register als Frame-Pointer; das Y-Register steht damit nicht mehr für lokale Variablen zur Verfügung was sich ebenfalls ungünstig auf die Codegüte auswirkt. Ein Grund für das Anlegen eines Frames können zu viele lokale Variablen sein (zB lokale Puffer/Arrays) oder lokale Variablen/Strukturen/Parameter mit ungünstigen Größen, etwa eine 3-Byte große Struktur.

: Neben dieser Information gibt avr-gcc Kommentare der Gestalt
::<pre>/* prologue end (size=2) */</pre>
:aus die darüber informieren, wie viele Register auf dem Stack gesichert wurden.

: Zusammen mit Werkzeugen wie grep, die in jedem Linux und jeder WinAVR-Distribution enthalten sind, findet man schnell Übeltäter wie Funktionen mit Frame.

;Assembler-Code sichten: Ein kurzer Blick auf den erzeugten Assembler-Code zeigt oft, wie gut der Compiler den Code umgesetzt hat. Den erzeugten Assembler-Code zu überfliegen ist wesentlich zeitsparender als selbst in Assembler zu programmieren. Je nach Gusto verwendet man zur Einsicht den Assembler-Code, den avr-gcc ausgibt (s.o.), Assembler-Dumps des Assemblers, List-Files oder HEX-Dumps. Siehe auch<ref>[http://rn-wissen.de/index.php/Assembler-Dump_erstellen_mit_avr-gcc roboternetz.de: Assembler-Dump erstellen mit avr-gcc]</ref>

;Hilfsmittel: einkaufen oder selber bauen. Es gilt herauszufinden, welche Funktion massig Stack durch lokale Variablen verbraucht. Stacktracer können das. Wenn man keinen hat, dann muss man sich eben selber einen bauen, indem man den Stackpointer mitloggt. Zur Not einen Code-Review machen: Alle Funktionen optisch durchgehen und die identifizieren, die viele Variablen anlegen. Dann die Aufrufhierarchie der Funktion feststellen: Wirken sich die vielen Variablen überhaupt aus oder entsteht mein Problem durch eine tiefe Funktionsaufrufhierarchie, bei der zwar wenige Variablen pro Funktion im Spiel sind, aber die Menge der ineinandergeschachtelten Aufrufe 'das Kraut fett macht'
;Profitools: können das alles fast auf Knopfdruck, kosten aber viel Geld

====Laufzeit messen====

*Simulator
*In Echtzeit mittels Testpin, welche an Anfang einer Funktion/Blocks gesetzt wird und am Ende wieder gelöscht wird. Mit einem [[Oszilloskop]] kann man so sehr einfach die Laufzeit messen.

; Anmerkung: Solche Messverfahren liefern immer nur eine ''untere'' Schranke für die Laufzeit, niemals eine obere Schranke. Eine obere Schranke, wie man sie etwa in sicherheitsktitischen Systemen benötigt, liefert eine statische Codeanalyse.

=== Wieviel ===

Der Aufwand von Optimierungen wächst exponentiell. Die letzten paar Prozent brauchen überproportional viel Aufwand.

=== Wie ===

Meist muss man die Wahl treffen ob man Speicher oder Rechenzeit sparen will, beides gleichzeitg geht meist nicht. Das Konzept heißt 'Space for Time' und kann in beide Richtungen verwendet werden. Als Beispiel soll eine komplizierte Berechnung dienen. Diese kann man relativ kompakt in eine Funktion packen, welche dann aber eher langsam ist. Oder man benutzt eine sehr große Tabelle, in welcher die Ergebnisse schon für jeden Eingangswert vorausberechnet wurden. Diese Lösung ist sehr schnell, verbraucht aber sehr viel Speicher.

* Inlining von Funktionen erhöht den Speicherverbrauch, senkt aber die Laufzeit. Beispiel: Funktion A ist 50 Byte groß und wird 10 mal im Programm aufgerufen. Ein Aufruf kostet 10 Byte:
** Ohne Inline: 10 * 10Byte + 50 Byte = 150 Byte Platzverbrauch
** Mit Inline: 10 * 50 Byte = 500 Byte
* Optimierer einschalten
* möglichst keine Floating Point Operationen, besser ist meist [[Festkommaarithmetik]]
* Formeln umstellen und zusammenfassen
* Variablen so klein wie möglich, uint8_t wo's nur geht.
* Wirklich zeitkritische Funktionen und Interrupts als Assemblercode in separater Datei

== GCC-Optionen ==

=== Optimierungs-Level ===

avr-gcc kennt mehrere Optimierungsstufen:
;<tt>-O0</tt>: Keine Optimierung des erzeugten Codes. Diese Optimierungsstufe optimiert den Resourcenverbrauch des ''Hostrechners'' und die Nachvollziehbarkeit der erzeugten Codes anhand von Debug-Information. Alle lokalen Variablen werden auf dem Stack angelegt und nicht in Registern gehalten. Es werden keine komplexen Optimierungsalgorithmen angewandt; lediglich Konstanten wie 1+2 werden zu 3 gefaltet.

;<tt>-O1</tt>: Je höher die Optimierungsstufe, desto schwieriger ist der erzeugte Code nachvollziehbar — auch mit Debugger. Diese O-Stufe ist ein Kompromiss zwischen aggressiver Optimierung und Nachvollziehbarkeit des erzeugten Codes. Ein ehernes Gesetz in GCC ist, dass er den gleichen Code erzeugen muss unabhängig davon, ob Debug-Information erzeugt wird oder nicht. Im Umkehrschluss erlaubt volle Debug-Unterstützung nicht alle Optimierungen, wozu diese Optimierungsstufe dient.

;<tt>-O2</tt>: Optimierung auf Geschwindigkeit. Für AVR nur mässig sinnvoll, da sich der Codezuwachs nicht in einen entsprechenden Geschwindigkeitszuwachs transformiert. Dies liegt vor allem daran, daß Sprünge und Funktionsaufrufe auf AVR im Vergleich zu anderen Architekturen sehr billig sind. Es bringt also kaum einen Geschwindigkeitszuwachs, einen Block zu kopieren um einen Sprung zu sparen. Hingegen vergrößert dies den Code deutlich.

;<tt>-O3</tt>: Dito. Auf Teufel-komm-raus Funktionen zu inlinen, Schleifen aufzurollen oder gar Funktionen mehrfach für unterschiedliche Aufruf-Szenarien zu implementieren, ist auf einem kleinen µC wie AVR der Overkill.

;<tt>-Os</tt>: Optimierung auf Codegröße. Die bevorzugte Optimierungsstufe für AVR und viele andere µC.

Jede O-Option ist ein Sammlung von verschiedenen Schaltern, welche bestimmte Optimierungsstrategien aktivieren. Um zu sehen, welche Schalter dies genau sind, erzeugt man wie oben beschrieben mit den Schalten
-save-temps -fverbose-asm
die Assembler-Ausgabe von gcc und schaut die Optionen im s-File nach. Einzelne Optionen lassen sich gezielt aktivieren bzw. deaktivieren und damit zum Beispiel zum <tt>-Os</tt>-Paket hinzufügen.

Eine Ausnahme bildet <tt>-O0</tt>: Hier ist Code-Optimierung generell deaktiviert, und Optimierungsschalter bleiben ohne Wirkung.

=== Feinabstimmung der Optimizer ===

Kandidaten für Optimierungsoptionen sind folgende Schalter. <tt>-m</tt> kennzeichnet maschinenspezifische Schalter, die nur für AVR gültig sind. <tt>-f</tt> bzw. <tt>-fno-</tt> sind maschinenunabhängige Schalter, die auch für andere Architekturen verfügbar sind.

;<tt>-fno-split-wide-types</tt>: Je nach Quelle kann die Deaktivierung von <tt>-fsplit-wide-types</tt> besseren Code ergeben.

;<tt>-fno-inline-small-functions</tt>: Relativ kleine Funktionen /immer/ zu inlinen kann den Code unnötig vergrößern, dieser Schalter unterbindet das automatische Inlinen kleiner Funktionen.

;<tt>-finline-limit=</tt>''wert'': Maximalwert für automatisch geinlinte Funktionen. In einschlägigen Foren werden kleine Werte für ''wert'' vorgeschlagen, z.B. 1…3

;<tt>-mcall-prologues</tt>: Die für aufwändige Funktionen mitunter recht langen push/pop-Sequenzen werden durch Hilfsfunktionen ersetzt. Das kann vor allem bei grossen Programmen Platz sparen. Die Ausführungszeit steigt an.

;<tt>-fno-jump-tables</tt>: Switch-Statements werden hierdurch mitunter deutlich kürzer.

;<tt>-fno-move-loop-invariants -fno-tree-loop-optimize</tt>: Einige Schleifenoptimierungen, welche die Registerlast erhöhen und für AVR kaum zu einem Geschwindigkeitszuwachs führen, werden deaktiviert.

;<tt>-fno-tree-switch-conversion</tt>: Neue GCC-Versionen können switch/case Anweisungen u.U. in Lookup-Tabellen umwandeln, die im RAM abgelegt werden, siehe auch [http://gcc.gnu.org/PR49857 PR49857]. Dieser Optimierung ist bei RAM-Knappheit in Betracht zu ziehen, bring aber natürlich nur dann etwas, wenn diese Optimierung auch ausgeführt wurde.

;<tt>-fno-optimize-sibling-calls</tt>: Ab 4.7 wirksam: Tailcall-Optimierung kann den Code vergrößern, wenn Epiloge mehrfach erzeugt werden. In diesem Fall deaktiviert man die Tailcall-Optimierung.

;<tt>-maccumulate-args</tt>: Ab 4.7: Funktionen, die mehrere printf-artige Aufrufe enthalten und viele Artumente per Stack an diese übergeben, werden u.U kleiner.

;<tt>-mstrict-X</tt>: Ab 4.7: Beeinflusst die Art und Weise, wie das X-Register zur Adressierung verwendet wird.

;<tt>-mbranch-cost=</tt>''wert'': Ab 4.7: Setzt die Kosten, mit der der Compiler einen bedingten Sprunge veranschlagt. Default-Wert ist ''wert''<tt>=0</tt>.

;<tt>-fno-caller-saves</tt>: Kann zu effizienteren Pro-/Epilogen beitragen.

;<tt>-fno-tree-ter</tt>: Es gibt Fälle, in denen der Compiler die Berechnung temporärer Variablen über volatile-Zugriffe und Memory-Barriers zieht, siehe [http://gcc.gnu.org/PR53033 PR53033]. Von der C-Spezifikation her ist dies zulässig, kann aber zu unerwünschter Umsortierung der volatile-Operation führe, z.B. wenn es sich dabei um eine <tt>SEI</tt>-Instruktion handelt. Ohne diese Optimierung wird der Code evtl. etwas größer, aber Probleme wie im PR beschrieben können vermieden werden.

;<tt>--param case-values-threshold=</tt>''wert'': Ab 4.7: Schwellwert an Einträgen in einem switch/case, ab dem anstatt eines binären if/else-Entscheidungsbaums eine Sprungtabelle zu den case-Labels erzeugt wird. Voreinstellung ab 4.7 ist ''wert''<tt>=7</tt>. Ältere Compilerversionen verwenden andere Werte. Siehe auch <tt>-f[no-]jump-tables</tt>.

Generell gilt für all diese Optionen, daß sie abhängig vom Projekt zu einer Codeverbesserung oder -verschlechterung führen können — dies ist i.d.R. vom Projektcode abhängig.

=== Linker-Optionen ===

;<tt>-ffunction-sections -Wl,--gc-sections</tt>: Der Linker wirft nicht referenzierte Sections weg, was die Codegröße günstig beeinflussen kann. Diese Optimierung verkleinert den Code nur dann, wenn nicht verwendete Funktionen in der Anwendung rumgammeln. Weil der Linker nur auf Section-Ebene optimieren kann, muss zusätzlich der Compiler mit <tt>-ffunction-sections</tt> aufgerufen werden, um die Anwendung auf möglichst viele Sections zu verteilen.

;<tt>-Wl,--relax -mrelax</tt>: Der Linker fasst Tail-Calls wie
::<tt>CALL some_function RET</tt>
: zusammen als
::<tt>JMP some_function</tt>
: Siehe auch die Compiler-Option <tt>-f[no-]optimize-sibling-calls</tt> von oben. Zudem wird <tt>CALL</tt> umgewandelt zur kürzeren <tt>RCALL</tt>-Instruktion falls das Sprungziel im ±4 KiB-Zielbereich von <tt>RCALL</tt> liegt. Analog für <tt>JMP</tt> zu <tt>RJMP</tt>.

: Die beiden Optionen sind gleichwertig; die erste Variante veranlasst den Compiler, den Linker mit <tt>--relax</tt> aufzurufen. Die zweite Variante verwendet den allgemeinen <tt>-Wl</tt>-Mechanismus, um eine Option von der Compiler-Kommandozeile an den Linker durchzureichen.

=== Weitere Optionen ===

;<tt>-mtiny-stack</tt>: Der Compiler ändert nur das Low-Byte des Stackpointers (SP), was auf Controllern mit 16-Bit SP zu kleinerem Code führen kann. Benötigt der Code Platz auf dem Stack, so erzeugt der Compiler u.U. Code, der den SP liest, einen Offset aufaddiert/abzieht und den SP dann zurückschreibt. Dies ist aufwändig. Für den Fall, daß sich dabei das High-Byte SP nicht ändert, kann Code eingespart werden.

:Beispiel: ATtiny44 hat RAM von <tt>0x60</tt> bis <tt>0x15f</tt>. Braucht die Anwendung nicht mehr als <tt>0x60</tt> = 96 Bytes an Stack, dann kann mit <tt>-mtiny-stack</tt> compiliert werden.

=== Änderung des Binärinterfaces per Option ===

{{Warnung|
;Warnung: Im Gegensatz zu den Optionen der vorherigen Abschnitte, bei denen es sich um reine Optimierungsoptionen handelt, ändern die folgenden Optionen das Binärinterface (ABI) des vom Compiler erzeugten Codes und sind daher nur nach eingehender Prüfung anzuwenden! Wird eine Anwendung mit diesen Schaltern übersetzt, dann ist sicher zu stellen, daß ''alle'' Module inclusive Libraries damit derzeugt werden oder die ABI-Änderung sich nicht auf Code in Bibliotheken auswirkt!
}}

Vorsicht in auch deshalb geboten, weil manche Entwicklungsumgebungen wie "Atmel Studio" das ABI ''per Default'' verändern und ohne daß der Anwender es extra anfordert.

;<tt>-funsigned-char</tt>: Anders als im avr-gcc ABI ist der Typ <tt>char</tt> unsigned anstatt signed.
:Besser: Verwende die C99-Typen wie <tt>uint8_t</tt> aus dem C99-Header <tt>stdint.h</tt>.

;<tt>-funsigned-bitfields</tt>: Bitfelder mit Basetype <tt>char</tt>, <tt>short</tt>, <tt>int</tt> <tt>long</tt> und <tt>long long</tt> werden als unsigned implementiert anstatt als signed wie in der avr-gcc ABI.
:Besser: Wenn ein Bitfeld unsigned sein soll, dann mach es unsigned!

;<tt>-fpack-struct</tt>: Im Gegensatz zur avr-gcc ABI werden Strukturen und Unions per default gepackt.
:Besser: Wenn ein zusammengesetzter Typ gepackt werden soll, mache ein Typedef mit explizitem <tt>__attribute__((packed))</tt>!

;<tt>-fshort-enums</tt>: Enum-Typen werden so kurz wie möglich implementiert anstatt als <tt>int</tt> gemäß avr-gcc ABI.

;<tt>-mint8</tt>: Ein <tt>int</tt> ist nur nocht 8 Bits breit. Dies entspricht nicht mehr dem C-Standard und wird nicht durch die C-Bibliotheken wie AVR-Libc oder newlib unterstützt! Die Codegröße von 8-Bit Operationen kann sich verkleinern, weil andere Integer-Promotion Regeln angewandt werden. Literals müssen ggf. angepasst bzw gecastet werden, siehe auch C99-Makros wie <tt>UINT16_C</tt> aus <tt>stdint.h</tt>.

== Anpassungen der Quelle ==

=== Attribute noreturn, OS_main und OS_task ===

Mikrocontroller-Programme laufen normalerweise in einer Endlosschleife, so dass die main-Routine nie verlassen wird.
Teilt man dies dem Compiler mit, kann er bestimmte Optimierungen durchführen.
So ist es zum Beispiel unnötig, Code zum Sichern und Zurücklesen von Registern zu erzeugen.

Das Mitteilen funktioniert beim gcc über Attribute, die man der Deklaration oder bei der Implementierung einer Funktion anhängt:
<syntaxhighlight lang="c">static void main_loop (void) __attribute__((noreturn));
void main_loop (void)
{
while (1)
{
// Hauptschleife
}
}</syntaxhighlight>
oder
<syntaxhighlight lang="c">static void __attribute__((noreturn))
main_loop (void)
{
while (1)
{
// Hauptschleife
}
}</syntaxhighlight>

Die Funktion <tt>main_loop</tt> kann dann in <tt>main</tt> aufgerufen werden:

<syntaxhighlight lang="c">int main (void)
{
main_loop();

return 0;
}</syntaxhighlight>
Das abschließende <tt>return</tt> wird vom Compiler wegoptimiert und belegt keinen Speicher.

<tt>avr-gcc</tt> kennt weiterhin die Attribute <tt>OS_main</tt> und <tt>OS_task</tt>.
Die Verwendung von <tt>OS_main</tt> kann etwa aussehen wie folgt. Natürlich kann auch wie oben die Hauptschleife in einer eigenen Funktion implementiert werden, und das <tt>return</tt> verursacht keinen zusätzlichen Code:
<syntaxhighlight lang="c">int __attribute__((OS_main))
main (void)
{
while (1)
{
// Hauptschleife
}

return 0;
}</syntaxhighlight>

=== Statische Variablen in einer Struktur sammeln ===

Gibt es in einem Programm mehrere inhaltlich zusammengehörende Variablen, dann ist es sinnvoll diese in einer Struktur zu vereinigen. Neben einer klareren Programm- bzw. Datenstruktur kann dies auch zu kleinerem Code führen.

Beispiel ist die folgende kleine Routine, welche die Zeit in der globalen <tt>time</tt>-Strukture um eine Sekunde erhöht:

<syntaxhighlight lang="c">
#include <stdint.h>

typedef struct
{
uint8_t second;
uint8_t minute;
uint8_t hour;
} time_t;

// Globale time-Struktur enthält die Zeit
time_t time;

void next_second (void)
{
// Zeiger auf die globale time-Struktur
time_t *ptime = &time;

// time um 1 Sekunde erhöhen

if (++ptime->second == 60)
{
ptime->second = 0;

if (++ptime->minute == 60)
{
ptime->minute = 0;

if (++ptime->hour == 24)
ptime->hour = 0;
}
}
}
</syntaxhighlight>

Die Funktion enthält mehrere indirekte Zugriffe auf die <tt>time</tt>-Struktur, und es wäre günstig, wenn <tt>avr-gcc</tt> indirekte Adressierung für die Zugriffe verwendet: Alle Zugriffe geschehen über den Struktur-Zeiger <tt>ptime</tt>, und ein indirekter Zugriff per <tt>LD</tt>, <tt>LDD</tt>, <tt>ST</tt> oder <tt>STT</tt> kostet 2 Bytes, während die direkten Spreicherzugriffe <tt>LDS</tt> und <tt>STS</tt> jeweils 4 Bytes verbrauchen.

<tt>avr-gcc</tt> erzeugt mit Optimierung auf Größe jedoch folgenden Code:

<syntaxhighlight lang="c">
next_second:
// if (++ptime->second == 60)
lds r24, time
subi r24, -1
sts time, r24
cpi r24, 60
brne .L1
// ptime->second = 0;
sts time, __zero_reg__
// if (++ptime->minute == 60)
lds r24, time+1
subi r24, -1
sts time+1, r24
cpi r24, 60
brne .L1
// ptime->minute = 0;
sts time+1, __zero_reg__
// if (++ptime->hour == 24)
lds r24,time+2
subi r24, -1
sts time+2, r24
cpi r24, 24
brne .L1
// ptime->hour = 0;
sts time+2, __zero_reg__
.L1:
ret
</syntaxhighlight>
D.h. obwohl der C-Code indirekt zugreift, enthält das Compilat direkte Zugriffe und der Code belegt 56 Bytes an Flash. Grund ist, daß der Compiler den Inhalt der Variablen <tt>ptime</tt> kennt und daher die indirekten Struktur-Zugriffe in direkte umwandelt.

Um indirekte Adressierung im erzeugten Code zu erzwingen, kann man die Struktur-Adresse als Parameter übergeben:
<syntaxhighlight lang="c">
void next_second (time_t *ptime)
</syntaxhighlight>
oder – als hässliche Lösung – dem Compiler des Wissen um den Inhalt von <tt>ptime</tt> per Inline-Assembler nehmen:
<syntaxhighlight lang="c">
asm ("" : "+r" (ptime));
</syntaxhighlight>

Dies führt denn zu folgendem Code, der um 25% kleiner ist und nur noch 42 Bytes Flash belegt:
<syntaxhighlight lang="c">
next_second:
// time_t *ptime = &time;
// asm ("" : "+r" (ptime));
ldi r30, lo8(time)
ldi r31, hi8(time)
// if (++ptime->second == 60)
ld r24, Z
subi r24, -1
st Z, r24
cpi r24, 60
brne .L1
// ptime->second = 0;
st Z, __zero_reg__
// if (++ptime->minute == 60)
ldd r24, Z+1
subi r24, -1
std Z+1, r24
cpi r24, 60
brne .L1
// ptime->minute = 0;
std Z+1, __zero_reg__
// if (++ptime->hour == 24)
ldd r24, Z+2
subi r24, -1
std Z+2, r24
cpi r24, 24
brne .L1
// ptime->hour = 0;
std Z+2, __zero_reg__
.L1:
ret
</syntaxhighlight>

Weil AVRs nur zwei Zeiger-Register haben, die über diese Addressierungsart verfügen (Y und Z), ist diese Optimierung nur eingeschränkt anwendbar.

Werden etwa Z oder Y für andere Zwecke benötigt – etwa für Flash-Adressierung per <tt>LPM</tt> oder Y als Frame-Pointer gebraucht – verkleinert sich das Anwendungsfeld noch weiter. Zudem müssen genügend Struktur-Zugriffe nacheinander erfolgen, damit ein positiven Effekt auf die Codegröße zustande kommt. Immerhin muss die Adresse geladen werden, das Zeiger-Register wird belegt und steht nicht für andere Variablen zur Verfügung, und im Falle von Y kommen <tt>PUSH</tt>/<tt>POP</tt> im Prolog/Epilog hinzu. Werden viele unterschiedliche Struktur-Pointer verwendet ("viele" relativ zur Anzahl der verfügbaren Pointer-Registern), kann die Codegröße auch ansteigen.

Direkte Zugriffe sind in jedem Falle schneller, denn direkte und indirekte Zugriffe kosten die gleiche Zeit. Die Indirekten Zugriffe erfordern jedoch die Initialisierung des Zeiger-Registers und evl <tt>PUSH</tt>/<tt>POP</tt>.

=== Multiplikationen mit Konstanten ===

Der Compiler instanziiert sofort eine teure allgemeine Bibliotheksfunktion, auch wenn es anders ginge. Ich hatte eine einzige 32-bit Multiplikation mit 10 drin, die mir ein mulsi3 beschert hat. Mit a = (b<<3) + (b<<1) geht es in dem Fall kürzer. Wie gesagt, map-File beobachten.

;Anmerkung: Variablen als unsigned definieren, dann sollte der Compiler das selbst machen.

;Anmerkung: Auch Schieben ist teuer auf AVR. Schauen wir uns also mal an, was aus folgendem Code wird:

<syntaxhighlight lang="c">
uint32_t foo (uint32_t i)
{
return i*10;
}

uint32_t bar (uint32_t i)
{
return (i << 1) + (i << 3);
}
</syntaxhighlight>

{{Scrollbox|15ex;|
<pre>
00000032 <foo>:
32: 2a e0 ldi r18, 0x0A ; 10
34: 30 e0 ldi r19, 0x00 ; 0
36: 40 e0 ldi r20, 0x00 ; 0
38: 50 e0 ldi r21, 0x00 ; 0
3a: 19 d0 rcall .+50 ; 0x6e <__mulsi3>
3c: 08 95 ret

0000003e <bar>:
3e: 26 2f mov r18, r22
40: 37 2f mov r19, r23
42: 48 2f mov r20, r24
44: 59 2f mov r21, r25
46: 22 0f add r18, r18
48: 33 1f adc r19, r19
4a: 44 1f adc r20, r20
4c: 55 1f adc r21, r21
4e: e3 e0 ldi r30, 0x03 ; 3
50: 66 0f add r22, r22
52: 77 1f adc r23, r23
54: 88 1f adc r24, r24
56: 99 1f adc r25, r25
58: ea 95 dec r30
5a: d1 f7 brne .-12 ; 0x50 <__SREG__+0x11>
5c: 26 0f add r18, r22
5e: 37 1f adc r19, r23
60: 48 1f adc r20, r24
62: 59 1f adc r21, r25
64: 95 2f mov r25, r21
66: 84 2f mov r24, r20
68: 73 2f mov r23, r19
6a: 62 2f mov r22, r18
6c: 08 95 ret

0000006e <__mulsi3>:
6e: ff 27 eor r31, r31
70: ee 27 eor r30, r30
72: bb 27 eor r27, r27
74: aa 27 eor r26, r26

00000076 <__mulsi3_loop>:
76: 60 ff sbrs r22, 0
78: 04 c0 rjmp .+8 ; 0x82 <__mulsi3_skip1>
7a: a2 0f add r26, r18
7c: b3 1f adc r27, r19
7e: e4 1f adc r30, r20
80: f5 1f adc r31, r21

00000082 <__mulsi3_skip1>:
82: 22 0f add r18, r18
84: 33 1f adc r19, r19
86: 44 1f adc r20, r20
88: 55 1f adc r21, r21
8a: 96 95 lsr r25
8c: 87 95 ror r24
8e: 77 95 ror r23
90: 67 95 ror r22
92: 89 f7 brne .-30 ; 0x76 <__mulsi3_loop>
94: 00 97 sbiw r24, 0x00 ; 0
96: 76 07 cpc r23, r22
98: 71 f7 brne .-36 ; 0x76 <__mulsi3_loop>

0000009a <__mulsi3_exit>:
9a: 9f 2f mov r25, r31
9c: 8e 2f mov r24, r30
9e: 7b 2f mov r23, r27
a0: 6a 2f mov r22, r26
a2: 08 95 ret

</pre>
}}

: Der Funktionsaufruf samt Lib-Funktion ist garnicht sooo teuer. Bereits mit zwei Multiplikationen im Programm — auch einer Multiplikation mit einer anderen Konstanten oder einer Variablen — gewinnt die lib-Version, da der Code wiederverwendet wird. Übrigens sind diese Multiplikationsroutinen und auch die in die libgcc enthaltenen Divisionen keine "normalen" Funktionen wie sie von C erzeugt werden. avr-gcc weiß genau, welche Register diese Routinen belegen und welche nicht. Damit ist der Aufruf einer solchen Funktion billiger als ein herkömmlicher Funktionsaufruf, bei dem die Funktion als Blackbox behandelt werden muss, die alle call-clobbered Register zerstört.

=== Alle Variablen nur so breit wie nötig ===

Hatte ich eigentlich schon, nur an einigen wenigen Stellen war ich da etwas nachlässig. Mitunter reicht ein kleinerer Typ doch, wenn man z. B. vorher geeignet skaliert. Am besten nur die skalaren Typen aus <stdint.h> verwenden, das erleichtert auch das Folgende. Bei RAM Knappheit: kann ich Strings sinnvollerweise aus dem RAM ins Flash verbannen? Kann ich es mir leisten mehrere Flag-Variablen in ein Byte zusammenzufassen, auch wenn dann die Zugriffe möglicherweise etwas langsamer werden.

=== Logische Operatoren werden auf int-Größe erweitert ===

Obwohl der AVR ein 8-Bit Controller ist, verlangt der C-Standard, daß ein <tt>int</tt> mindestens 16 Bits groß ist. Wegen den Promotion-Regeln von C werden 8-Bit Operanden in Operationen auf 16 Bits aufgeweitet. Beispiel:

<syntaxhighlight lang="c">
#include <stdint.h>

uint8_t c;

void foo (uint8_t a, uint8_t b)
{
if (a == ~b)
c = 0;
}
</syntaxhighlight>
Den zweiten Operanden mit dem Komplement weitet der Compiler auf 16 Bit auf, wodurch alle high-Bits von <tt>~b</tt> gesetzt werden. Der Compiler erkennt, daß der Vergleich niemals wahr ist und optimiert ihn weg:
<syntaxhighlight lang="c">
foo:
ret
</syntaxhighlight>

Ein Cast verhindert dieses:
<syntaxhighlight lang="c">
void foo (uint8_t a, uint8_t b)
{
if (a == (uint8_t) ~b)
c = 0;
}
</syntaxhighlight>
was übersetzt wird zu:
<syntaxhighlight lang="c">
foo:
// if (a == (uint8_t) ~b)
com r22
cpse r24, r22
rjmp .L1
// c = 0
sts c, __zero_reg__
.L1:
ret

</syntaxhighlight>

;Achtung: Tatsächlich handelt es sich dabei nicht um ein Optimierungsproblem, sondern einen typischen Programmierfehler. Die beiden Varianten sind keineswegs identisch! Bei Variablen vom Typ <tt>uint8_t</tt> ist der Ausdruck <tt>(a == ~b)</tt> immer falsch! Dies unterstreicht mehr als eindringlich, daß eine gute Kenntnis der Programmiersprache das A und O jedes erfolgreichen Programmierers ist. Kenne zuallerst mal deine Programmiersprache - und zwar auch in den intimen Details!

=== Speichern von globalen Flags ===

Oft werden in den Programmen Flags verwendet um beispielsweise eingetroffene Interrupts in der main-Routine auszuwerten. Hierzu wird üblicherweise eine globale Variable verwendet.

Um den Wert dieser Variable abzufragen, muss sie jedoch erst aus dem SRAM in ein Register geladen werden, und kann dann erst auf ihren Status hin überprüft werden. Eine Möglichkeit ist, der globalen Variablen ein einziges Register fest zuzuordnen:
<syntaxhighlight lang="c">
register uint8_t counter8_1 asm("r2");
register uint8_t counter8_2 asm("r3");
register uint16_t counter16_1 asm("r4"); // r4:r5
register uint16_t counter16_2 asm("r6"); // r6:r7
</syntaxhighlight>
siehe auch: http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/FAQ.html#faq_regbind

Als Alternative kann man ein nicht verwendetes Register des I/O-Bereichs verwenden. Dabei würde sich z. B. das Register eines zweiten UARTs, oder das EEPROM-Register anbieten, falls diese nicht benötigt werden.

Neuere AVR-Modelle besitzen für diesen Zweck 3 frei verwendbare Bytes im bitadressierbaren I/O-Bereich: GPIOR0-2, die neueren ATXmegas haben sogar 16 Stück!

{{Warnung|
;Warnung: Dieses Vorgehen verändert das ABI! Um dieses Feature fehlerfrei anzuwenden, ist einiges an Wissen über die Interna von GCC notwendig. Auch ein korrekt funktionierendes Programm ist keine Garantie dafür, daß die globalen Register fehlerfrei implementiert wurden. Unter Umständen bringen erst spätere Codeänderungen/-erweiterung den Fehler zum Vorschein, und weil der Fehler vorher nicht akut war, sucht man sich den Wolf an der falschen Stelle im Code anstatt bei der globalen Registern. Siehe auch [[Globale Register]].}}

=== Puffern von volatile-Variablen ===

Der Compiler behandelt volatile-Variablen bei mehreren Manipulationen wie heiße Kartoffeln. Für jeden einzelnen Vorgang wiederholt sich das Spiel:

* aus dem Speicher holen
* bearbeiten
* zurückspeichern

Unter Umständen ist dieses Verhalten unsinnig. Ein Minimalbeispiel:

<syntaxhighlight lang="c">
volatile char var;

ISR()
{
var++;

if (var > 100)
var = 0;
}

void main (void)
{
while (1)
printf (var);
}
</syntaxhighlight>

Hier wird '''var''' pro [[ISR]]-Ausführung zwei mal aus dem RAM geholt und zurückgeschrieben. Das ist überflüssig, weil die Interruptrountine nicht unterbrochen werden kann. Aus Sicht der ISR bräuchte man eigentlich kein volatile, kann es aber wegen des Zugriffs aus main heraus nicht weglassen. Eine Lösung findet sich im folgenden Schnipsel:

<syntaxhighlight lang="c">
volatile char var;

ISR()
{
char temp = var;

if (++temp > 100)
temp=0;

var = temp;
}

void main (void)
{
while (1)
printf (var);
}
</syntaxhighlight>

Hier wird die globale Variable '''var''' in der lokalen Variable '''temp''' gepuffert. Ein Nachteil durch das Anlegen von '''temp''' ergibt sich nicht, da das dafür verwendete Register für die Manipulation sowieso benötigt wird.

Wie alle Optimierungen kann dieses Vorgehen auch nach hinten losgehen: Wenn Laden und Zurückspeichern von '''var''' weit auseinanderliegen (extrem lange ISR), müllt man sich die Register zu. Im schlimmsten Fall wird '''temp''' sogar zwischenzeitlich auf dem Stack ausgelagert.

=== Schleifen ===

Bei Schleifen, die eine bestimmte Anzahl an Durchläufen ausgeführt werden sollen, ist es besser den Schleifenzähler vorher auf einen Wert zu setzen, und am Ende einer Do-While Schleife diesen zu dekrementieren.
So beschränkt sich die Sprungbedingung auf ein brne (branch if not equal).

Beispiel:
<syntaxhighlight lang="c">
uint8_t counter;
counter = 100;
do
{
// mach irgendetwas
} while (--counter);
</syntaxhighlight>

Achtung: Derartige Optimierungen sind meistens zweifelhaft und sehr Compilerabhängig. Compiler betreiben aufwendige Code- und Datenflussanalysen, in denen sie viele Dinge ins Kalkül ziehen, die ein menschlicher Programmierer im Regelfall nicht mehr überblicken kann. Von einem ordentlichen Compiler kann erwartet werden, dass er derartige Umstellungen (sofern sie möglich sind) in Eigenregie erledigt. Auch wenn es einzelne Compiler bzw. Compilerversionen gibt, in denen ein manueller Umbau einer derartigen Schleife tatsächlich eine Verbesserung bringt, sollte man immer im Hinterkopf behalten, dass sich in der nächsten Compilerversion alles umdrehen kann. Im Zweifelsfall lieber die Schleifenvariante benutzen, die der Situation angemessen ist und die den gewünschten Vorgang am klarsten beschreibt. Wenn dieser Vorgang im weitesten Sinne einen Countdown darstellt, dann ist natürlich nichts gegen eine derartige Schleifenkonstruktion einzuwenden.

=== Schiebeoperationen ===

Oft benötigt man Schiebeoperationen, um Daten Bit für Bit zu [[Bitmanipulation | verarbeiten]], z.B. für [http://www.mikrocontroller.net/articles/AVR-Tutorial:_Schieberegister Soft]-[[SPI]]. Hier empfiehlt es sich DRINGEND, möglichst nur Schiebeoperationen mit konstanten Verschiebungszähler durchzuführen, diese sind auf dem AVR deutlich schneller als Schiebeoperationen mit Variablen, welche meist durch mehrfache Funktionsaufrufe mit Scheifen etc. gelöst werden. Dabei verwendet man oft konstante Bitmasken, um die einzelnen Bits nacheinander zu maskieren.

Noch schneller geht das Schieben von Konstanten um einen konstanten Wert, denn das macht der Compiler bei eingeschalteter Optimierung noch während des Compilierens. Gerade für schnelle IO-Operationen kommt dann meist nur ein einziger ASM-Befehl heraus (sbi, cbi).

Ebenso ist es wenig empfehlenswert, 32 oder gar 64 Bit Datentypen zu schieben, das dauert sehr lange. Besser ist es, die Daten als Array von 8 Bit Werten zu handhaben und diese zu schieben, das ist meist deutlich schneller. Gute Beispiele findet man [http://www.mikrocontroller.net/topic/179566#1729219 hier] und [http://www.mikrocontroller.net/topic/169509#1631439 hier].

<syntaxhighlight lang="c">
#define DATAPORT PORTD
#define IO-BIT PD4

uint8_t a, b, i;

i=5
a = b << i; // variabler Verschiebewert, langsam
a = b << 5; // konstanter Verschiebewert, schnell

DATAPORT |= (1<<IO-BIT); // alles Konstanten, sehr schnell
</syntaxhighlight>

==Optimierung der Ausführungsgeschwindigkeit==

Hierzu gibt es schon eine Application-Note von Atmel. Diese AppNote bezieht sich auf den IAR-Compiler. Die darin genannten "Optimierungen" sind für avr-gcc größtenteils obsolet oder bleiben bestenfalls ohne Effekt.

Weblinks:
* [http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc1497.pdf AVR035]: Efficient C Coding for AVR
* [http://en.wikipedia.org/wiki/Program_optimization Program optimization] auf Wikipedia, engl.
* [http://bleaklow.com/2012/06/20/sensor_smoothing_and_optimised_maths_on_the_arduino.html Sensor smoothing and optimised maths on the Arduino] - Multiplikation vs. Division

== Fußnoten ==
<references/>

== Links ==
[http://www.atmel.com/Images/doc8453.pdf Atmel AVR4027]: Tips and Tricks to Optimize Your C Code for 8-bit AVR Microcontrollers ([http://www.atmel.com/Images/AVR4027.zip Beispiel-Code])

[[Category:avr-gcc]]

Kühlkörper

2014-12-29T10:15:38Z

Mfgkw: /* Bauteil mit Kühlkörper */

Dieser Artikel versteht sich als Unterpunkt zum Artikel [[Leistungselektronik]].

== Einleitung ==

Ein Kühlkörper (engl. ''heat sink'') wird benötigt, wenn die Verlustleistung von elektronischen Bauteilen einen bestimmten Wert übersteigt. Der Kühlkörper hat dabei die Aufgabe, die entstehende Wärme möglichst gut auf eine große Fläche zu verteilen, um sie dann an die Umgebung abzugeben.

[[bild: Rippenkuehlkoerper.png | thumb | 300px| Rippenkühlkörper, Schnittdarstellung]]

Das grundlegende Prinzip sieht man an jedem Rippenkühlkörper. An der Stelle, wo das Kühlobjekt angeschraubt/gepresst ist, ist ein dicker "Klumpen" Material, der erstmal die Wärme auf eine etwas größere Fläche verteilen soll. Bei CPU-Lüftern ist dort teilweise Kupfer eingepresst, weil das noch besser als Aluminium Wärme leitet (engl. heat spreader, Wärmespreizer). Danach folgen viele, nach aussen dünner werdende Rippen. In der Mitte noch dick, dort muss die Wärme ja verlustarm durchgeleitet werden, aussen dünn, dort ist fast alle Wärme schon abgegeben. Ein guter Kühlkörper hat eine möglichst große Oberfläche bei möglichst kleiner Masse. Viele Kühlkörper werden aus preiswerten [http://de.wikipedia.org/wiki/Strangpressen Strangpressprofilen] hergestellt.

== Wärmewiderstand ==

Die wichtigste Kennzahl eines Kühlkörpers ist der Wärmewiderstand. Er gibt an, um wie viel Kelvin sich die Temperatur zwischen Wärmequelle und Umgebung unterscheidet, wenn eine bestimmte Wärmeleistung abgeführt werden muss. Die Einheit ist K/W, Kelvin pro Watt. (Hinweis: Oft wird die Einheit °C/W angegeben, das ist allerdings nicht ganz korrekt. Temperaturdifferenzen werden in Kelvin angegeben). Je niedriger der Wärmewiderstand, umso besser der Kühlkörper, weil er die gleiche Wärmeleistung mit einem kleineren Temperaturunterschied abführen kann. Dadurch bleibt das Bauteil kühler, was der Lebensdauer und Funktionssicherheit zu Gute kommt.

Allgemein gilt die Formel

<math>\Delta T = P_t \cdot R_t</math>

*<math>\Delta T</math> - Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Umgebung in K
*<math>P_t</math> - Wärmeleistung in W
*<math>R_t</math> - Wärmewiderstand in K/W

== Berechnung des Wärmewiderstands ==

Für einen Kühlkörper ist der Wärmewiderstand im Datenblatt angegeben. Diesen rein aus dem Aufbau zu berechnen ist sehr schwierig, auch das Messen ist nicht so einfach. Was man jedoch berechnen kann und muss ist der Wärmewiderstand eines Gesamtaufbaus, d.h. Bauteil + Kühlkörper. Dazu muss man im Wesentlichen zwei Fälle unterscheiden.

=== Bauteil ohne Kühlkörper ===

Ohne Kühlkörper kann ein Bauteil seine Wärme über zwei Wege abgeben. Über das Gehäuse direkt an die Luft (Abstrahlung oder Konvektion) oder über die Anschlüsse auf die Platine (Wärmeleitung). Dies alles findet parallel statt, aber je nach Gehäusetyp und Platinengestaltung ist die Verteilung auf die Kühlwege verschieden. Transistoren im Metallgehäuse (z. B. TO-3) oder mit Metallfahne (z. B. TO220) können recht viel Wärme über das Gehäuse abgeben. Leistungsdioden im Plastikgehäuse hingegen können den Großteil der Wärme nur über die Anschlüsse abgeben. Deshalb sollten diese möglichst kurz sein, und auf der Platine an dicke Leiterbahnen oder gar Kupferflächen angeschlossen werden. Ähnliches gilt für leistungsverstärkte DIL- oder SOIC-[[IC-Gehäuseformen | Gehäuse]], welche oft für [[H-Brücken_Übersicht | Leistungstreiber]] oder [[FET | MOSFETs]] verwendet werden. In diesen Fällen sollten die Pins direkt an Kupferflächen '''ohne''' Wärmefallen (Thermals) angeschlossen werden, auch wenn dadurch das [[Löten]] erschwert wird.

Für die meisten Bauteile ist im Datenblatt der Wärmewiderstand zwischen dem eigentlichen Chip (engl. "junction") und der Umgebung (engl. "ambient") angegeben. Damit kann man direkt in die oben genannte Formel gehen und die Temperaturdifferenz ausrechnen. Die Temperatur der Sperrschicht errechnet sich einfach aus der maximalen Umgebungstemperatur (meist Luft) und dem errechneten Temperaturunterschied.

=== Bauteil mit Kühlkörper ===

Will man mit einem IC größere Verlustleistungen umsetzen (Linearer Spannungsregler, [[Transistor]], etc.] muss meist ein Kühlkörper her. Die jeweiligen Gehäuse besitzen dazu meist eine Kühlfahne, an die man den Kühlkörper anschrauben kann. Bei anderen gibt es Klemmen, die den Kühlkörper fest klemmen. Hier gibt es einiges zu beachten. Der Kühlkörper darf nicht zu schwach angeschraubt werden, sonst ist der Wärmewiderstand zwischen Gehäuse und Kühlkörper zu gross. Er darf aber auch nicht zu stark angeschraubt/angepresst werden, um das Gehäuse nicht zu deformieren. Wichtig ist der Übergang zwischen IC und Kühlkörper. Hier muss bei größeren Leistungen (>5W) Wärmeleitpaste verwendet werden. Ihre Aufgabe ist es, die Luft zwischen den Oberflächen zu verdrängen, welche sich in den mikroskopischen Unebenheiten befindet und den Wärmewiderstand '''deutlich''' erhöht. Dabei sollte die Schicht sehr dünn sein, denn die Wärmeleitpaste ist im Vergleich zu Aluminium oder Kupfer ein schlechter Wärmeleiter, allerdings deutlich besser als Luft.

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Material || Wärmeleitfähigkeit [W/(m*K)]
|-
| Luft || 0,026
|-
| Wärmeleitpaste || 4 - 10
|-
| Aluminium || 221*
|-
| ALMg3 || 140 - 160
|-
| ALMg4,5Mn || 120 - 140
|-
| ALMgSi1 || 170 - 220
|-
| ALCuMg1 || 160 - 200
|-
| ALCu6,5Mn0,3 || 95 - 130
|-
| Kupfer || 370*
|-
| Messing MS60 || 90 - 113
|-
| Cu Be 2 || 92 - 125
|-
| Cu Co 2 Be || 192 - 239
|-
| Cu Cr 1 Zr || 167 - 320
|-
| Cu Ni 2 Si || 67 - 120
|-
| Stahl 0,2%C || 50
|-
| Stahl 8%Cr || 21
|-
| Zinn || 65
|-
| Blei || 35
|-
|}

*Werte DIN V 4108-4, Achtung: bei den verfügbaren Legierungen sind weit geringere Wärmeleitfähigkeiten zu erwarten!

'''Beispiel'''

Das oft verwendete TO220 Gehäuse hat ca. 1cm^2 Kühlfläche. Wird ein Kühlkörper ohne Wärmeleitpaste aufgeschraubt und entsteht dabei ein angenommener Luftspalt von 10µm, hat dieser einen Wärmewiderstand von ca. 4K/W! Mit Wärmeleitpaste sind es rein rechnerisch nur 1/150tel, also etwa 0,026 K/W. Real muss man jedoch eher mit 0,5-1K/W rechnen.

Für die Berechnung des gesamten Wärmewiderstandes müssen hier drei Widerstände in Reihe betrachtet werden. Der Erste ist im Datenblatt zwischen Chip und Gehäuse angeben (engl. junction to case). Danach kommt der Übergang Gehäuse-Kühlkörper. Dieser ist von der Oberflächengüte und der Wärmeleitpaste abhängig und kann nur abgeschätzt werden. Ein TO220 Gehäuse mit dünner Schicht Wärmeleitpaste hat hier ca. 0,5-1K/W. Zum Schluss muss noch der Wärmewiderstand des Kühlkörpers addiert werden, dieser ist im Datenblatt angegeben. Vorsicht, bei größeren Kühlkörpern mit großen Rippen ist die Einbaulage wichtig, damit der Luftstrom frei strömen und gut kühlen kann (freie Konvektion, warme Luft strömt nach oben und kalte strömt unten nach). Die drei Wärmewiderstände werden addiert und über die oben angegebene Formel der Gesamtwärmewiderstand und damit die Temperaturerhöhung der Sperrschicht berechnet.

Wird eine Schaltung in einem Gehäuse eingesetzt, muss man dafür sorgen dass die warme Luft abgeführt wird, vor allem in Kunststoffgehäusen. Ansonsten gibt es einen Wärmestau und die Temperatur steigt deutlich!

=== Zwangskühlung ===

Natürlich muss der Kühlkörper die Wärme auch abführen können. Was aber, wenn der für den Wärmeabtransport benötigte Kühlkörper mechanisch nicht ins Gehäuse paßt?
Hier kommen die Lüfter zum Einsatz, das Ganze nennt sich dann Zwangskühlung.

Durch den Einsatz eines Lüfters lässt sich die der Wärmewiderstand des Kühlkörpers etwa um den Faktor 4 verbessern, bzw. der Kühlkörper lässt sich in der Größe ungefähr um den Faktor 7..8 reduzieren. Dies sind jedoch nur Richtwerte für den ersten Entwurf, eine Prüfung durch Messung ist unbedingt erforderlich. Der Effekt beruht darauf, daß mittels eines Lüfters wesentlich mehr Luft wesentlich schneller am Kühlkörper vorbeiströmen kann, und dabei mehr Wärme bei gleicher Temperaturerhöhung aufnehmen kann.

Beim Einsatz eines Lüfters ist auch daran zu denken, daß sowohl die Ansaugöffnung als auch der Kühlkörper verschmutzen und regelmäßig gereinigt werden müssen. Weiterhin erzeugt ein Lüfter natürlich auch Lärm. Je kleiner der Lüfter und je größer die benötigte Luftlieferleistung, umso lauter wird der Lüfter. Umgekehrt kann man aber mit einem großen, eher langsam laufenden Lüfter den Geräuschpegel stark absenken. Und letztendlich kann ein Lüfter auch kaputt gehen, womit die Kühlung deutlich verschlechtert wird und das Bauteil überhitzt. Hier empfiehlt sich bei wertvolleren Objekten eine Lüfterüberwachung, wie sie seit längerem bei PCs eingesetzt wird.

==== Physikalischer Hintergrund der Zwangskühlung mit Luft ====

Luft hat eine Wärmekapazität von ungefähr 1kJ/kg/K was bedeutet, daß für die Erwärmung von 1kg Luft um 1K eine Energiemenge von 1kJ = 1000Ws erforderlich ist. D.h. für den kontinuierlichen Abtransport von 100W Wärme werden mindestens 100g Luft pro Sekunde benötigt, wenn man diese nur um 1K erwärmen will.
Um also 100W von einem Kühlkörper abzuführen, der sich hier im Beispiel um 8K erwärmen darf, sind 100W / 8K = 12,5g Luft pro Sekunde erforderlich. Ein Gramm Luft hat ein Volumen von etwa 0,77l, d.h. bei 12,5 g muss der Lüfter 9,6 l/s bzw. 34,5 m³/h liefern, die dann auch durch den gesamten Kühlkörper geblasen werden müssen.

== Die Platine als Kühlkörper ==

Bei kleineren Leistungen (< 5W) kann man auch die Platine als Kühlkörper benutzten. Dabei muss jedoch die Wärme vom Bauteil möglichst schnell auf eine größere Fläche verteilt werden. Dazu nutzt man große Kupferflächen direkt am Bauteil. Diese werden teilweise beidseitig angebracht. Die Wärme muss man dann jedoch mit vielen Vias von der einen Seite, auf der das Bauteil sitzt, auf die andere geleitet werden. Diese Vias heißen thermische Vias, da sie nicht als elektrische Verbindung sondern als Wärmeleiter dienen. Das funktioniert deshalb so gut, weil die Vias innen mit Kupfer beschichtet sind, welches die Wärme wesentlich besser leitet als das Material der Leiterplatte (FR2, FR4).
Verfügt ein SMD-Bauteil über eine sogenannte "Heatslug" oder thermal pad auf der Unterseite, muss dieses zur Wärmeableitung unbedingt angelötet werden. Dies ist mit einem normalen Lötkolben möglich, wenn die Platine an dieser Stelle mehrere Durchkontaktierungen mit einem Durchmesser von ca. 1,5mm aufweist. Durch diese Durchkontaktierungen kann genug Lötzinn auf die andere Seite fließen um diese Fläche mit der Platine zu verlöten.

Mit modernen Technologien ist es auch möglich, deutlich größere Wärmeleistungen von der Platine abzuführen. Dazu werden z. B. Platinen mit Aluminium- oder Kupferkern oder auf einen Metallträger laminierte PCBs benutzt (IMS = '''I'''nsulated '''M'''etal '''S'''ubstrat). Diese kommen z. B. bei Hochleistungs-[[LED]]s zum Einsatz. Für Hobbyzwecke sind sie aber noch wesentlich zu teuer, vor allem bei Einzelstücken.

== Peltierelement ==

Ein [http://de.wikipedia.org/wiki/Peltier-Element Peltierelement] arbeitet nach dem [http://de.wikipedia.org/wiki/Thermoelektrizit%C3%A4t#Peltier-Effekt Peltier-Effekt]. Dabei wird in einem Halbleiter durch Stromfluss eine Seite des Elements kalt, die andere heiß. Damit kann man ein kleines Objekt beliebig kühlen oder heizen. Allerdings sind Peltierelemente nur in eher kleinen Abmessungen und Leistung verfügbar (bis einige Dutzend Watt) und deren Effizienz ist auch nicht sonderlich hoch. Die allgemeine Auffassung, die könnten Wärme einfach verschwinden lassen ist falsch. Denn die heiße Seite muss klassisch gekühlt werden, je nach Temperaturunterschied mit mehr als der doppelten Kühlleistung als auf der kalten Seite an Wärme abgeführt wird.

== Heatpipe ==

Eine [http://de.wikipedia.org/wiki/Heatpipe Heatpipe],auf deutsch Wärmerohr genannt, ist ein Rohr, welches mit einer leicht verdampfenden Flüssigkeit gefüllt ist. Wird ein Ende erhitzt, verdampft die Flüssigkeit und nimmt dabei sehr viel Wärme auf. Der Dampf steigt im Rohr ans andere Ende, kondensiert dort und gibt dabei seine Wärme wieder ab.

Heatpipes werden auch als Wärmesuperleiter bezeichnet, weil sie Wärme 100-10.000 mal besser leiten als ein massiver Kupferstab mit gleichen Abmessungen.

Auch hier muss gesagt werden, dass eine Heatpipe allein '''kein''' Kühlsystem ist, denn die Seite, auf der das Wärmetransportmedium wieder kondensiert muss auch wieder klassisch gekühlt werden. Der grosse Vorteil ist die Abführung großer Wärmemengen auf engstem Raum, wie z. B. bei CPUs in Laptops.

== Flüssigkühlung ==

Im PC-Bereich ist es unter einigen Enthusiasten verbreitet, den Rechner entweder zu übertakten, um eine höhere Leistung zu erzielen oder super leise zu machen, um angenehmer arbeiten oder spielen zu können. In beiden Fällen muss eine große Wärmemenge abgeführt werden. Dabei wird die sehr hohe Wärmekapazität von Wasser genutzt, um auf kleinem Raum die Wärme von CPU, GPU, Festplatten etc. abzuführen. Aber auch hier ist zu beachten, dass am Ende einer Flüssigkühlung praktisch immer ein klassicher Wärmetauscher steht, welcher die Wärme an die Umgebungsluft abgibt. Dieser kann sich aber deutlich weiter entfernt vom zu kühlenden Objekt befinden als ein einfacher, direkt montierter Kühlkörper.

Bei der Verwendung von Wasser statt Luft als Kühlmedium reduziert sich die Durchflußmasse in etwa um den Faktor 4,2, da die Wärmekapazität von Wasser bei ca. 4,182 kJ/kg/K liegt. Da Wasser aber auch eine deutlich höhere Dichte als Luft besitzt (Wasser = 1g/cm³; Luft = 1,3mg/cm³) kommt noch der Faktor von ~770 dazu, woraus sich ein Gesamtfaktor für das Durchflußvolumen von ~3230 ergibt.

D.h. die Durchflußmenge in unserem oben genannten Beispiel (100W) sinkt auf ca. 2,9 ml/s bzw. 10,7 l/h.

Vorteile
*Abtransport großer Wärmemengen auf kleinstem Raum
*nahezu lautlos

Nachteile
*höherer Aufwand und Kosten
*Gefahr durch auslaufendes Kühlmittel

Im Bereich der Leistungselektronik wird Flüssigkühlung eingesetzt, im Hobbybereich nahezu nicht.

== Bauteilmontage auf dem Kühlkörper ==
Die Montage der klassischen Halbleitergehäuse nach TO220 und ähnlichen gestaltet sich augenscheinlich simpel: Die Kühlfahne hat ein Loch. Da ist es doch sehr verlockend, das Bauteil mit einer Schraube durch ebendieses Loch auf dem Kühlkörper zu befestigen...

Bei fachgerechter Ausführung spricht auch wenig gegen diese Montageweise. Dazu gehört dann auch das richtige Anzugsmoment für die Schraube. Zu lose angezogen und zwischen Bauteilgehäuse und wärmeabführender Oberfläche entsteht ein Luftspalt. Ein Wärmeleitpad oder Wärmeleitpaste schaffen zwar Abhilfe, aber die Wärmeleitfähigkeit dieser Stoffe liegt um Größenordnungen unter der von Aluminium (Kühlkörper) und Kupfer (Kühlfahne). Ein vorhandenes Wärmeleitpad wird mitunter auch nicht weit genug zusammengedrückt, sodass auch noch Optimierung möglich wäre. Nämlich durch festeres Anziehen der Schraube.
Zu fest angezogen und die Kühlfahne wölbt sich minimal. Dabei hebt der Bauteilkörper von der Oberfläche des Kühlkörpers ab und es entsteht wieder ein Spalt. Ungünstigerweise liegt aber genau dort der Usprung des Wärmeflusses (Silizium-Chip). Bei Conrad gibt es [http://www.conrad.de/ce/de/overview/0205045/Transistor-Halteklammern-Haltefedern Klammern] zur Befestigung von Transistoren von [http://www.fischerelektronik.de/web_fischer/de_DE/K%C3%BChlk%C3%B6rper/A06/Transistorhaltefedern/$search_result_naviActualPage/1/$search_result_naviLinesPerPage/100/search.xhtml;jsessionid=2C868850DA0202334B26912FF6948496#search_result_naviPoint Fischer].

[[Datei: kuehlkoerper-montage.jpeg | thumb | 300px | Montagebeispiel]] Weitaus einfacher zu handhaben ist folgende Montageweise: Die Bauteile werden, ungeachtet der Montagebohrung, lose auf den Kühlkörper gelegt. Falls notwending natürlich mit Isolierstoff dazwischen und in jedem Fall hauchdünn mit einem Wärmeleitmittel bestrichen. Über die Bauteile wird dann ein Aluminiumprofil gelegt und erst dieses wird, weiterhin mit einer Schraube pro Bauteil, auf den Kühlkörper gespannt. Abgesehen davon, dass so auch SMD-Bauteile (IPAK!) auf einem Kühlkörper Platz finden, entsteht Druck genau über dem Hot Spot.

{{clear}}

== Weitere Hinweise ==

*Große Hochlastwiderstände mit Keramikgehäuse werden im Normalbetrieb recht heiß (200..350°C). Diese Temperaturen sollten nicht auf die Platine kommen, denn das macht das Material nicht lange mit. Hier muss genau das Gegenteil von dem gemacht werden, was weiter oben für Bauteile ohne Kühlkörper empfohlen wurde. Die Anschlüsse müssen möglichst lang sein, damit wenig Wärme über sie abgegeben werden kann. Die Kühlung erfolgt nahezu nur über den Keramikkörper durch Wärmestrahlung und Konvektion.
* Ein TO220 Gehäuse kann ca. 1W ohne Kühlkörper abgeben.
* Bei der Dimensionierung des Kühlkörpers sollte man sich nicht an der maximal zulässigen Sperrschichttemperatur orientieren, sondern möglichst um 10..50K kühler bleiben. Das verbessert die Funktionssicherheit und vor allem die Lebensdauer erheblich!
* Merksatz über den dicken Daumen: Pro 10 Grad Temperaturerhöhung halbiert sich die Lebenserwartung eines Bauteils. (Arrheniusgesetz, RGT-Regel, 10-Grad-Gesetz)
* Temperaturzyklen verkürzen die Lebensdauer von Schaltungen erheblich
* Meist sind mehrere kleine Kühlkkörper deutlich kleiner und billiger als ein Großer.

== Links ==

* [[Leistungselektronik]]
*[http://www.mikrocontroller.net/topic/308826?goto=3325027#3325027 Forumsbeitrag]: Wärmewiderstand und Sperrschichttemperatur messen

== Weblinks ==

* [http://sound.westhost.com/heatsinks.htm The Design of Heatsinks]. Eine ausführliche Seite zum Thema Kühlkörper, englisch
* [http://ludens.cl/Electron/Thermal.html Noch eine gute Seite, englisch]
* [http://wiki.oliverbetz.de/owiki.php/FormelSammlung Universelle Formelsammlung mit kurzen Erklärungen]
* [http://www.thermoconsult.de/01_TechInfo/Physik.pdf Grundlagen zur Kühlung, inhaltlich gut, Formatierung eher mies]
* [http://tangentsoft.net/elec/diy-hs.html DIY Heat Sinks]
* [http://www.fischerelektronik.de/ Kühlkörper bei Fischer Elektronik]
* [http://www.leiton.de/leiterplatten_teaser_alu.html Leiterplatten mit Alukern bei Leiton]
*[http://www.mikrocontroller.net/topic/84303 Guter Beitrag im Forum mit einer Beispielrechnung]
*[http://www.shop.display3000.com/mikrocontrollerloesungen/uc-mit-21-tft/d074-mikrocontroller-atmega-tft-farbdisplay-212.html Berechnung in der Praxis: Unter Downloads das Handbuch laden, dann Seite 14]

[[Kategorie:Bauteile]]
[[Kategorie:Leistungselektronik]]
[[Category:Grundlagen]]

AVR Interrupt Routinen mit C++

2014-11-26T07:30:21Z

Mfgkw: Typo

''von Christian M.''

{{Wettbewerb Header}}

Einen Mikrocontroller mit [[C++]] zu programmieren, scheitert oft daran, die [[Interrupt]]-Routinen in die Klassenhierarchie zu integrieren. Ohne saubere Objektorientierung verliert C++ jedoch schnell an Wert. Zum Beispiel Frameworks um die Hardware zu abstrahieren, sind mit den Interrupt Makros der avr-libc zwar machbar, jedoch mit reinem C++ weit flexibler. Deshalb soll dieser Artikel einen Einblick in die Möglichkeiten des GNU C++ Compilers geben, der einige Stellschrauben besitzt, mit denen sich Interrupts trotz aller Probleme in Klassen, mit Zugriff auf nicht statische Membervariablen, integrieren lassen.

== Probleme ==
=== name mangling ===
In C++ gibt es Namensräume, daher werden nicht nur die Methodennamen für die Symbolnamen benutzt, sondern unter anderem auch die Klassennamen mit eingebracht. Die Schattenseite dieses Features ist allerdings, dass die Interrupt-Makros der avr-libc nicht mehr genutzt werden können. Das Makro <code enclose="none" lang="cpp">ISR()</code> ist eines davon. Es wird vom Präprozessor über einige weitere Makros zur mit <code enclose="none" lang="cpp">extern "C"</code> deklarierten Funktion <code enclose="none" lang="cpp">__vector_n()</code> aufgelöst; n steht für die Interruptnummer. Da <code enclose="none" lang="cpp">extern "C"</code> in Klassen nicht zulässig ist, kann der daraus resultierende Quellcode nicht compiliert werden.

=== Zugriff auf nicht statische Membervariablen ===
Da Methoden als ersten impliziten Parameter den <code enclose="none" lang="cpp">this</code>-Zeiger ihres Objekts erhalten,<ref>Eckel, Bruce: Thinking in C++. Second Edition. Upper Saddle River: Prentice Hall Inc. 2000. S. 429.</ref> Interrupt-Handler allerdings keine Parameter haben können - ohne Aufruf können keine Parameter übergeben werden - müssen gezwungermaßen statische Methoden verwendet werden. Statische Methoden haben allerdings nur auf statische Variablen Zugriff. Dies ermöglicht jedoch nur eine suboptimale Objektorientierung. Als Beispiel soll eine Timer-Klasse dienen: Wollte man je ein Objekt für zwei verschiedene Timer erstellen, bräuchte man für jedes eine statische Variable.

== Lösungen ==
=== das asm Schlüsselwort ===
Mit dem Schlüsselwort asm kann nicht nur inline [[Assembler]] programmiert werden, es kann auch dazu verwendet werden, Symbolnamen zu bestimmen.<ref>http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-4.7.2/gcc/Asm-Labels.html</ref> Somit ergibt sich die Möglichkeit, das name mangling zu steuern. Weist man zum Beispiel einer statischen Methode den Symbolnamen <code enclose="none" lang="cpp">__vector_1</code> zu, so gehört sie weiterhin zur Klasse; es wird nur der Symbolname geändert. Da die avr-libc eine Interruptvektortabelle anlegt, in der ein Sprungbefehl zu <code enclose="none" lang="cpp">__vector_1</code> für den ersten Interrupt steht, wird die Methode auch im Interruptfall aufgerufen.

=== befreundete Klassen ===
Zu den pragmatischeren Teilen der Sprache C++ gehört das Schlüsselwort <code enclose="none" lang="cpp">friend</code>, da es einer fremden Klasse Zugriff auf private Teile einer anderen Klasse gibt. Um mithilfe von friend einer Interrupt Routine Zugriff auf nicht statische Membervariablen zu geben, kann beispielsweise eine geschachtelte befreundete Klasse angelegt werden, die neben der Interrupt Routine eine statische Zeigervariable auf ein Objekt der äußeren Klasse enthält.<ref>http://www.embedded.com/design/embedded/4023817/Interrupts-in-C-</ref> Wird mithilfe einer weiteren statischen Methode dieser Klasse der this Zeiger eines Objekts der äußeren Klasse gespeichert, kann durch die Interrupt Methode auf alle Member der äußeren Klasse zugegriffen werden.

== Implementierungen ==
Um die beiden folgenden Beispiele kompilieren zu können sollten die folgenden Headerdateien eingebunden werden; <code enclose="none" lang="cpp">stdint.h</code> wegen der Verwendung von <code enclose="none" lang="cpp">uint32_t</code>, <code enclose="none" lang="cpp">interrupt.h</code> wegen <code enclose="none" lang="cpp">sei()</code> und <code enclose="none" lang="cpp">io.h</code> wegen der Registermakros.
<syntaxhighlight lang="c">
#include <stdint.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <avr/io.h>
</syntaxhighlight>

Die Warnung die beim kompilieren des ersten Beispiels auftritt (beim zweiten in ähnlicher Form) kann ignoriert werden, denn es wird bereits nach Durchlauf des Präprozessors geprüft ob alle Funktionen mit dem <code enclose="none" lang="cpp">__signal__</code>-Attribut mit <code enclose="none" lang="cpp">__vector_</code> beginnen.<ref>http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__avr__interrupts.html</ref> Der <code enclose="none" lang="cpp">__asm__</code>-Befehl wird allerdings erst nach dem Kompilieren wirksam.
<pre>warning: 'serviceRoutine' appears to be a misspelled signal handler</pre>

=== Interrupt Routine in einer geschachtelten Klasse ===
Eine einfache Implementierung am Beispiel des [[Timer]]2 Overflow-Interrupts auf einem [[AVR]] ATmega32 könnte wie folgt aussehen:

Mit <code enclose="none" lang="cpp">__asm__("__vector_5")</code> wird der Symbolname der Methode <code enclose="none" lang="cpp">serviceRoutine()</code> zum Namen des Interrupt Vektors für den Timer2 Overflow-Interrupt. Das Attribut <code enclose="none" lang="cpp">__signal__</code> teilt dem Compiler mit, dass es sich hier um eine Interrupt-Routine handelt, und alle Register gesichert und wiederhergestellt werden müssen. Mithilfe von <code enclose="none" lang="cpp">__used__</code> wird verhindert, dass der Code wegoptimiert wird, denn es gibt nirgends im C++-Teil des Codes einen konkreten Aufruf der Methode. Damit die <code enclose="none" lang="cpp">serviceRoutine()</code> auch außerhalb der Timer-Übersetzungseinheit sichtbar ist, sollte <code enclose="none" lang="cpp">__externally_visible__</code> dem Quellcode hinzugefügt werden. Anstelle von <code enclose="none" lang="cpp">__signal__</code> kann auch <code enclose="none" lang="cpp">__interrupt__</code> verwendet werden, um den Interrupt sofort nach Eintritt in die Handler-Methode wieder zu verlassen, anstatt erst nach deren Ende.<ref>http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-4.7.2/gcc/Function-Attributes.html</ref>
<syntaxhighlight lang="c">
class timer {
volatile uint32_t i;

class timerInterrupt {
static timer *ownerTimer;
static void serviceRoutine() __asm__("__vector_5") __attribute__((__signal__, __used__, __externally_visible__));

public:
static void record(timer *ownerTimer);
};

friend timerInterrupt;

public:
timer();
};
</syntaxhighlight>

Die Initialisierung der Zeigervariable <code enclose="none" lang="cpp">ownerTimer</code> auf Null sollte nicht vergessen werden, da es ansonsten zu Linkerfehlern kommen kann.
<syntaxhighlight lang="c">
timer *timer::timerInterrupt::ownerTimer = 0;
</syntaxhighlight>

Die folgende Methode wird gebraucht um ein <code enclose="none" lang="cpp">timer</code>-Objekt für die Interrupt-Routine zu registrieren.
<syntaxhighlight lang="c">
void timer::timerInterrupt::record(timer *t) {
ownerTimer = t;
}
</syntaxhighlight>

Dies ist die Interrupt-Routine. Um keinen Speicherzugriffsfehler zu erzeugen, falls der Interrupt auftritt bevor <code enclose="none" lang="cpp">ownerTimer</code> auf ein Objekt der äußeren Klasse zeigt, wird der Zeiger gegen Null geprüft. Zur Demonstration, dass der Zugriff möglich ist, wird <code enclose="none" lang="cpp">i</code> vom Objekt der <code enclose="none" lang="cpp">timer</code>-Klasse erhöht.
<syntaxhighlight lang="c">
void timer::timerInterrupt::serviceRoutine() {
if(ownerTimer != 0)
++ownerTimer->i;
}
</syntaxhighlight>

Im Konstruktor der <code enclose="none" lang="cpp">timer</code>-Klasse wird zuerst der <code enclose="none" lang="cpp">this</code>-Zeiger der inneren Klasse bekannt gemacht. Dann wird der Prescaler von Timer2 auf 1024 eingestellt, und somit der Timer gestartet. In der dritten Zeile wird der Overflow-Interrupt aktiviert um danach Interrupts global zu aktivieren.
<syntaxhighlight lang="c">
timer::timer() : i(0) {
timerInterrupt::record(this);
TCCR2 |= (1 << CS20) | (1 << CS21) | (1 << CS22);
TIMSK |= 1 << TOIE2;
sei();
}
</syntaxhighlight>

=== mit Interrupt Elternklasse ===
Eine [[Interrupt]]-Elternklasse erhöht die Flexibilität des Interrupt-Handlings enorm, allerdings auf Kosten des [[RAM]] und [[Flash]] Speichers.

Die abstrakte Klasse <code enclose="none" lang="cpp">interrupt</code> enthält ein statisches Array von Zeigern auf die <code enclose="none" lang="cpp">interrupt</code>-Kindklassen. Die Methode <code enclose="none" lang="cpp">serviceRoutine()</code> sollte in den Kindklassen überladen werden.<ref>http://www.embedded.com/design/embedded/4023817/2/Interrupts-in-C-</ref> Dann folgen 20 Interrupt-Handler jeweils einer für jeden Interrupt des [[AVR]] ATmega32. Die <code enclose="none" lang="cpp">record()</code>-Methode nimmt nun auch die Interrupt-Nummer als Parameter. Als Nummer können die Makros aus der Headerdatei <code enclose="none" lang="cpp">iom32.h</code> verwendet werden.
<syntaxhighlight lang="c">
class interrupt {
static interrupt *owner[20];

virtual void serviceRoutine() = 0;
static void handler1() __asm__("__vector_1") __attribute__((__signal__, __used__, __externally_visible__));
static void handler2() __asm__("__vector_2") __attribute__((__signal__, __used__, __externally_visible__));

.
.
.

static void handler20() __asm__("__vector_20") __attribute__((__signal__, __used__, __externally_visible__));

public:
static void record(int interruptNumber, interrupt *i);
};
</syntaxhighlight>

Das <code enclose="none" lang="cpp">owner</code>-Array wird - auch hier der Vollständigkeit des Codes halber - auf Null initialisiert.
<syntaxhighlight lang="c">
interrupt *interrupt::owner[] = {0};
</syntaxhighlight>

Die Interrupt-Handler rufen, nachdem überprüft wurde ob ein Objekt einer Kindklasse registriert worden ist, dessen Service-Routine auf.
<syntaxhighlight lang="c">
void interrupt::handler1() {
if(owner[0])
owner[0]->serviceRoutine();
}

void interrupt::handler2() {
if(owner[1])
owner[1]->serviceRoutine();
}

.
.
.

void interrupt::handler20() {
if(owner[19])
owner[19]->serviceRoutine();
}
</syntaxhighlight>

Die Methode <code enclose="none" lang="cpp">record()</code> speichert den Zeiger auf die Kindklasse an die entsprechende Interruptnummer im <code enclose="none" lang="cpp">owner</code>-Array.
<syntaxhighlight lang="c">
void interrupt::record(int interruptNumber,
interrupt *i) {
owner[interruptNumber - 1] = i;
}
</syntaxhighlight>

Um einen Linker-Fehler zu vermeiden, sollte ein Handler für aufgerufene, nicht definierte, rein virtuelle Methoden von Hand erstellt werden. Dies, da es für AVR keine Standard-C++-Bibliothek gibt.
<syntaxhighlight lang="c">
extern "C" void __cxa_pure_virtual() {
for(;;)
;
}
</syntaxhighlight>

In der <code enclose="none" lang="cpp">timer</code>-Klasse ist die Klasse <code enclose="none" lang="cpp">timerInterrupt</code> enthalten, welche von der obigen <code enclose="none" lang="cpp">interrupt</code>-Klasse abgeleitet ist. Ihre Zeigervariable <code enclose="none" lang="cpp">ownerTimer</code> soll auf ein Objekt der <code enclose="none" lang="cpp">timer</code>-Klasse zeigen. Die Methode <code enclose="none" lang="cpp">serviceRoutine()</code> wird im Interrupt-Fall vom Interrupt-Handler der Elternklasse aufgerufen. Da von der <code enclose="none" lang="cpp">timerInterrupt</code>-Klasse ein Objekt erstellt wird, gibt es einen Konstruktor der als Parameter die Interrupt-Nummer sowie einen Zeiger auf die äußere Klasse erwartet. Der Konstruktor der <code enclose="none" lang="cpp">timer</code>-Klasse erwartet als ersten Parameter das Timer-Counter-Control-Register des zu konfigurierenden Timers. Als zweites sollte der in dieses Register einzutragende Wert angegeben werden. Die nächsten beiden Parameter widmen sich in der selben Art und Weise dem Timer-Interrupt-Mask Register. Zuletzt ist die Nummer des Timer-Overflow-Interrupts anzugeben.
<syntaxhighlight lang="c">
class timer {
volatile uint32_t i;

class timerInterrupt : public interrupt {
timer *ownerTimer;
void serviceRoutine();

public:
timerInterrupt(int interruptNumber,
timer *ownerTimer);
} nestedTimerInterrupt;

friend timerInterrupt;

public:
timer(volatile uint8_t &timerCounterControlRegister,
uint8_t tccrNewState,
volatile uint8_t &timerInterruptMaskRegister,
uint8_t timskNewState,
int interruptNumber);
};
</syntaxhighlight>

Der Konstruktor der Klasse <code enclose="none" lang="cpp">timerInterrupt</code> sichert einen Zeiger auf das Objekt mit dem die Interrupt-Service-Routine arbeiten soll. Beim Aufruf der <code enclose="none" lang="cpp">record()</code>-Methode seiner Elternklasse gibt er den <code enclose="none" lang="cpp">this</code>-Zeiger seines Objekts weiter.
<syntaxhighlight lang="c">
timer::timerInterrupt::timerInterrupt(int interruptNumber,
timer *ownerTimer) : ownerTimer(ownerTimer) {
record(interruptNumber, this);
}
</syntaxhighlight>

Die Methode <code enclose="none" lang="cpp">serviceRoutine()</code> wird vom eigentlichen Interrupt-Handler der <code enclose="none" lang="cpp">interrupt</code>-Klasse aufgerufen. In sie sollten die Aufgaben des Interrupts geschrieben werden. Im Beispiel wird die Membervariable <code enclose="none" lang="cpp">i</code> des im Konstruktor bestimmten <code enclose="none" lang="cpp">timer</code>-Objekts erhöht.
<syntaxhighlight lang="c">
void timer::timerInterrupt::serviceRoutine() {
++ownerTimer->i;
}
</syntaxhighlight>

Der Konstruktor der <code enclose="none" lang="cpp">timer</code>-Klasse initialisiert <code enclose="none" lang="cpp">i</code> auf Null und gibt die ihm mitgeteilte Interrupt-Nummer sowie den <code enclose="none" lang="cpp">this</code>-Zeiger seines Objekts an den Konstruktor der <code enclose="none" lang="cpp">timerInterrupt</code>-Klasse weiter. Er beschreibt zudem die beiden Timer-Register mit den ihm übergebenen Werten. Zudem aktiviert er Interrupts global.
<syntaxhighlight lang="c">
timer::timer(volatile uint8_t &tccr,
uint8_t tccrNewState,
volatile uint8_t &timsk,
uint8_t timskNewState,
int interruptNumber) : i(0),
nestedTimerInterrupt(interruptNumber,
this) {
tccr = tccrNewState;
timsk = timskNewState;
sei();
}
</syntaxhighlight>

Ein beispielhafter Aufruf in <code enclose="none" lang="cpp">main()</code> könnte etwa so aussehen. Hier werden Timer0 und Timer2 mit Prescaler-Werten von 1024 initialisiert.
<syntaxhighlight lang="c">
int main() {
timer timer0(TCCR0,
TCCR0 | (1 << CS00) & ~(1 << CS01) | (1 << CS02),
TIMSK,
TIMSK | (1 << TOIE0),
TIMER0_OVF_vect_num);

timer timer2(TCCR2,
TCCR2 | (1 << CS20) | (1 << CS21) | (1 << CS22),
TIMSK,
TIMSK | (1 << TOIE2),
TIMER2_OVF_vect_num);

for(;;)
;

return 0;
}
</syntaxhighlight>

=== ein pragmatischer Ansatz im Hinblick auf den Flash-Speicherverbrauch ===
Die Größe des produzierten Binärcodes beträgt bei der zuerst vorgestellten Methode um die 0,3kB. In der Implementierung mit Elternklasse steigt diese --- aufgrund der vielen ungenutzten, aber als <code enclose="none" lang="cpp">__used__</code> gekennzeichneten Interrupt Handler --- auf ca. 2,2kB an. Um den Speicherverbrauch im Flash-Speicher händisch zu senken, bietet es sich daher an nicht benötigte Interrupt-Handler auszukommentieren. Mit dieser zwar etwas unschönen, jedoch pragmatischen, Methode lässt sich die Codegröße wieder auf ca. 0,5kB reduzieren.

Die Angaben der Codegrößen beziehen sich auf ein Testprogramm in welchem nur ein <code enclose="none" lang="cpp">timer</code>-Objekt erzeugt wurde und dann eine Endlosschleife folgte. Kompiliert wurde mit Optimierung auf Codegröße.

== Einzelnachweise ==
<references/>

[[Kategorie:AVR]]
[[Kategorie:C++]]

AVR Typen

2012-09-28T07:02:20Z

Mfgkw: /* ATmega - Reihe */ atmega328: IO-Pins korrigiert, atmega48a/88a/168a: eingefügt

== AT90S ==
Die "Basic Line" der Atmel [[AVR]]-Reihe. Sie beinhaltet die ersten [[AVR|AVRs]] die produziert wurden und deren Bezeichnung mit "AT90S" beginnt. Alle Typen wurden mit der Zeit von den beiden Nachfolgereihen ersetzt: ATmega bzw. ATtiny.

Einige neue AVR-Controller tragen eine mit AT90-''ohne S'' beginnende Bezeichnung, haben aber einen "moderneren" Kern. Z.B. sind die Typen AT90PWM2/3 und AT90CAN128 vom Funktionsumfang (interner RC, USART etc.) den ATmegas zuzuordnen.

== ATmega ==
Die ATmega-[[Mikrocontroller]] sind ein Teil der AVR-Controllerfamilie. Zusammen mit den ATtiny lösen die ATmega die AT90S-Serie schrittweise ab, wobei es in den meisten Fällen weitgehend pin- und funktionskompatiblen Ersatz für abgekündigte Controller gibt (ATmega8 statt AT90S4433, ATmega8515 statt AT90S8515 usw.).

Atmel ATmega AVRs werden mit aktiviertem internem Taktgeber ausgeliefert. Schließt man eine andere externe Taktquelle an (Quarz, Quarzoszillator o.ä), wird diese nicht automatisch genutzt. Zum Aktivieren müssen die Fuse-Bits des Controllers entsprechend eingestellt werden (siehe Datenblatt).

ATmegas mit integriertem [[JTAG]]-Interface (z.Zt. solche ab 16kB Flash-Speicher und mehr als 28 Pins) werden ab Werk mit aktiviertem JTAG-Interface ausgeliefert. Dieses Interface belegt vier Port-Pins (z. B. am PORTC bei ATmega16/32), die nicht für eigene Anwendungen genutzt werden können, solange das JTAG-Interface aktiviert ist. Das Interface lässt sich über ein Fuse-Bit (JTAGEN) dauerhaft und über ein Bit (JTD) in dem (oder einem der) MC-Kontroll-Register (Datenblatt nach JTD durchsuchen) per Software zur Laufzeit an- und abschalten. Weiteres im Datenblatt des jeweiligen Controllers in den Abschnitten Memory-Programming (Fuse) und JTAG/ICE (JTD).

Beim ATmega128 ist ab Werk die Mega103-Kompatibilitäts-fuse gesetzt. Um alle Erweiterungen des Mega128 gegenüber dem Mega103 zu nutzen muss diese deaktivert werden. Diese Fuse sorgt außerdem dafür, dass das SRAM in einem anderen Adressbereich liegt. Dadurch funktionieren C-Programme nur bis zum ersten Funktionsaufruf. Siehe auch [[AVR_Checkliste#Besonderheiten_bei_ATmega128_und_seinen_Derivaten_im_64-Pin-Gehäuse | AVR Checkliste: Besonderheiten bei ATmega64 / ATmega128]]

== ATtiny ==

Die ATtiny stellen das untere Ende der neuen AVR Linie von Atmel dar und waren zunächst durch das Fehlen von internem [[RAM#SRAM|SRAM]] gekennzeichnet. Mittlerweile gibt es aber so bemerkenswerte Controller wie den ATtiny4313, deren Möglichkeiten und Funktionen den ATmegas in nichts nachstehen.

Ein weiterer Unterschied zu den ATmegas ist der fehlende Hardwaremultiplizierer. Jede Multiplikation muss also in Software ausgeführt werden. Eine Übersicht über die Verfügbarkeit verschiedener Befehle bietet die [[AVR_Assembler_-_Vergleichstabelle|AVR-Assembler Befehlsvergleichstabelle]].

== ATxmega ==
Neueste Generation von AVR-Controllern mit neuem internen Aufbau, hoher Taktrate (32 MHz), niedriger Spannung (1,6 - 3,6V), vielen Schnittstellen, in 44 - 100 poligen SMD-Gehäusen. Besonderheiten: ADC mit 2 Megasample/12 Bit, vierpoliges Programm- und Debug- Interface PDI (VTref, CLK, DATA, GND) erfordert z.B. einen AVR_JTAGICE-mkII Programmer. PDI (Flash und Debug) funktioniert mit C-Code z.B. mit AVR Studio 4.19.

Leider ist die Xmega-Reihe zu den AVR-Prozessoren der Mega- oder Tiny-Serien nicht kompatibel (viel komplizierter, anderer Aufbau der IO-Baugruppen, der Interrupts, der C-Funktionen etc.). Prozessor-Manuals zeigen weder Assembler noch C-Beispiele für Ansteuerung der IO-Baugruppen. C-Programmbeispiele (geeignet für AVR-Studio) findet man erst in Xmega Application Notes. Einen Überblick gibt [http://www.stromflo.de/dokuwiki/doku.php?id=xmega-c-tutorial Florian Grotz].

== Sonstiges ==

Die AT89-Familie gehört nicht zu den AVR-Typen mit dem AVR-RISC-Befehlssatz, sondern ist eine [[8051|Intel-8051]]-kompatible 8-Bit µC-Serie.

=== Tiny vs Mega ===
Die modernen Typen sind die Tiny und die Mega. Die ATTiny haben kleinere Gehäuse als die ATMega, mit weniger Pins. Dies führt bei ähnlicher Funktionalität wie die Megas zu extremen Mehrfachbelegungen der Pins und auch eher zu Überschneidungen der Pinfunktionalität. Die Tiny sind daher eher für sehr hohe Stückzahlen geeignet, wo die Einsparung über die Stückzahl kommt. Anfänger und Bastler sind mit den ATMega besser bedient, da die weniger Limitationen besitzen.

==Nomenklatur==
===ATmega===
Auch wenn die Namensgebung auf den ersten Blick bedingt durch die vielen verfügbaren Modelle kompliziert aussieht, so folgt sie doch immer (von wenigen Ausnahmen abgesehen) einem einfachen Schema.

Nehmen wir einen aktuellen Baustein als Beispiel: *ATmega48PA-AU*. Der Name besteht aus 5 Teilen:
# Der Baureihe (hier: "ATmega")
# Einer Nummer, immer eine Zweierpotenz (hier: 4). Diese Zahl gibt die Größe des Flashspeichers in Kibibyte an.
# Bis zu zwei weiteren Ziffern (hier: 8). Sie definieren die Zusatzfunktionen sowie Zahl der I/O-Ports.
# Bis zu zwei Buchstaben (hier: PA), die für die Revision sowie spezielle stromsparende Architekturen stehen.
# Einem Bindestrich und zwei weiteren Buchstaben, die die Bauform angeben (hier: AU).

====Baureihe====

Hier gibt es nur zwei Reihen: Den kleinen ATtiny mit reduziertem Funktionsumfang und den großen ATmega.

====Speichergröße====

Während die Größe des Flashspeichers (Programmspeicher) direkt im Namen angegeben ist, ergibt sich die Größe von RAM und EEPROM nur indirekt aus dieser Nummer, wobei natürlich die Bausteine mit großem Flash auch mehr RAM und EEPROM haben als kleinere. Grob gilt diese Zuordnung:

{| class="wikitable"
|-
! Flash (kB) !! EEPROM (B) !! RAM (B)
|-
| 2 || tiny: 128 || tiny: 128
|-
| 4 || tiny: var., mega: 256 || tiny: 256, mega: 512
|-
| 8 || tiny: var., mega: 512 || tiny: 512, mega: 1024
|-
| 16 || 512 || 1024
|-
| 32 || 1024 || 2048
|-
| 64 || 2048*) || 4096*)
|-
| 128 - 256 || 4096 || 4K - 16K
|}
*)Atmega640 verfügt über den doppelten Speicher

====Zusatzfunktionen / Größe====
Die Ziffer(n) nach der Flashgröße geben die Ausstattungsmerkmale des Bausteins an. Die folgende Tabelle gilt für die Atmega-Reihe:
{| class="wikitable"
|-
! Ziffer !! Beschreibung
|-
| - || Keine Ziffer markiert die Bausteine der ersten Generation. Sie verfügen in der Regel über eine niedrigere maximale Taktrate (8/16 MHz anstatt 10/20 MHz), eine höhere Minimal-Spannung (2,7 anstatt 1,8 Volt), weniger Interrupt-Quellen und PWM-Kanäle
|-
| 0 || Reihe von 32 - 256 kB in einem größeren Gehäuse mit höherer Anzahl an I/O-Pins. Etwas älter als die aktuellen Reihen 4 und 8.
|-
| 1 || Kennzeichnet eine verbesserte Version des Atmega128 / 256, aber älter als aktuelle 4er Reihe
|-
| 4 || Reihe von 16 bis 128 kB Flash, alle pinkompatibel in 40-44 poligem Gehäuse. Neueste Baureihe, alle in pico-power-Technologie mit vielen verbesserten Funktionen wie externen Interrupts, Timern, USART...
|-
| 5 || Reihe von 16 bis 64 kB
|-
| 8 || Reihe von 4 bis 32 kB, alle pinkompatibel in 28-32 poligem Gehäuse. Neueste Baureihe, alle in pico-power-Technologie mit vielen verbesserten Funktionen wie externen Interrupts, Timern, USART.... (auch in der Attiny-Reihe vorhanden)
|-
| 9 || Reihe von 16 bis 64 kB mit integriertem Controller für LC-Displays, folglich in großen Gehäusen (64-/100-polig)
|}
Aus dieser Liste stechen einige Bausteine als Außenseiter hervor:
* Atmega8515 / Atmega8535
* Atmega640: Im Prinzip ein Atmega64 mit deutlich mehr Hardware-Ressourcen (4 UARTs, 16 ADC-Kanäle...) und doppelt soviel EEPROM / SRAM.

====Revision / Architektur====
Die (optionalen) Buchstaben vor dem Bindestrich geben Auskunft über den Stromverbrauch und Spannungsbereich
{| class="wikitable"
|-
! Buchstabe !! Beschreibung
|-
| A || Zweite Revision - meist nur eine Umstellung der internen Strukturen ohne Auswirkung für den Benutzer
|-
| L / V || "Low-Voltage": Speziell für niedrigere Taktraten (8 bzw. 10 MHz) sowie niedrigere Eingangsspannungen (1,8 bzw. 2,7V) selektierte Bausteine
|-
| P/PA || "Pico-Power": Reduzierter Stromaufnahme, besonders in tiefen Sleep-Modes (< 1uA); Manche Bausteine (z.B. Mega48) gibt es als P und PA
|}

==== Bauform====
Die beiden Buchstaben nach dem Bindestrich geben Auskunft über die Bauform. Die Zahl der Pins des jeweiligen Gehäusetyps hängt vom Baustein ab.
{| class="wikitable"
|-
! Buchstaben !! Beschreibung
|-
| A || TQFP-Gehäuse
|-
| C || BGA-Gehäuse
|-
| I || Bleihaltig - nicht mehr erhältlich
|-
| J || PLCC-Gehäuse
|-
| M || (V)QFN- / MLF- Gehäuse
|-
| P || DIP-Gehäuse (bastlerfreundlich!)
|-
| S || SOIC-Gehäuse
|-
| U || Bleifrei, RoHS-kompatibel
|-
| X || TSSOP-Gehäuse
|}

===ATtiny===
Bei den ATtiny-Bausteinen ist die Nummerierung deutlich unübersichtlicher als in der ATmega-Reihe. Die erste Ziffer gibt wie auch bei ATmega die Größe des Flash-Speichers an. Die obenstehenden Tabellen für Baureihe, Bauform, Revision und Speichergröße gelten ebenfalls (Ausnahmen: ATtiny5 mit 0,5 Kilobytes Flash sowie ATtiny4 und ATtiny9 mit 0,5 bzw. 1 kB Flash). Die Zusatzfunktionen und Baugröße sind aber nicht deutlich

== Vergleichstabelle(n) / Ausstattung ==
=== AT90S - Reihe ===
{| class="wikitable sortable" style="font-size:10px;" id="AVR_Features_AT90S"
|-
!Typ||Flash (Kbytes)||EEPROM (Bytes)||SRAM (Bytes)||Max I/O Pins||F.max (MHz)||Vcc (V)||Analog Comparator||16-bit Timer||8-bit Timer||Brown Out Detector||On Chip Oscillator||PWM Channels||RTC||Self Program Memory||Boot Code||SPI||TWI (I2C)||UART||Watchdog||Bauform
|- 
|[http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc0839.pdf AT90S2313]<ref>veraltet → ATtiny2313</ref>
|2
|128
|128
|15
|10
|2.7-6.0
|Ja
|1
|1
|Nein
|Nein
|1
|Nein
|Nein
|Nein
|Ja
|Nein
|Ja
|Ja
|PDIP20 SOIC20
|- 
|[http://www.atmel.com/atmel/acrobat/doc1004.pdf AT90S2323]<ref>veraltet → ATtiny25/45/85</ref>
|2
|128
|128
|3
|10
|2.7-6.0
|Nein
|0
|1
|Nein
|Nein
|0
|Nein
|Nein
|Nein
|Ja
|Nein
|Nein
|Ja
|PDIP8 SOIC8
|- 
|[http://www.atmel.com/atmel/acrobat/doc1004.pdf AT90S2343]<ref>veraltet → ATtiny25/45/85</ref>
|2
|128
|128
|5
|10
|2.7-6.0
|Nein
|0
|1
|Nein
|Ja
|0
|Nein
|Nein
|Nein
|Ja
|Nein
|Nein
|Ja
|PDIP8 SOIC8
|- 
|[http://www.atmel.com/atmel/acrobat/doc0841.pdf AT90S8515]<ref>veraltet → ATmega16/162/32/644</ref>
|8
|512
|512
|32
|8
|2.7-6.0
|Ja
|1
|1
|Nein
|Nein
|1 (16-Bit)
|Nein
|Nein
|Nein
|Ja
|Nein
|Ja
|Ja
|PDIP40 PLCC44 TQFP44


|}

=== ATtiny - Reihe ===
{| class="wikitable sortable" style="font-size:10px;" id="AVR_Features_ATtiny"
|-
!Typ||Flash (Kbytes)||EEPROM (Bytes)||SRAM (Bytes)||Max I/O Pins||F.max (MHz)||Vcc (V)||A/D Channels||Analog Comparator||16-bit Timer||8-bit Timer||Brown Out Detector||On Chip Oscillator||PWM Channels||RTC||Self Program Memory||Boot Code||SPI||TWI (I2C)||UART||Watchdog||Bauform(en)||Preis<ref name="preis"/>
|-
|[http://www.atmel.com/Images/doc8127.pdf ATtiny10]
|1
| --
|32
|4
|12
|1.8-5.5
|4 8-bit
|Ja
|1
| --
|Nein
|Ja
|2
|Nein
|Nein
|Nein
|Ja
|Nein
|Nein
|Ja
|SOT23
| 0.83-0.99
|-
|[http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc1006.pdf ATtiny11]
|1
| --
| --
|6
|6
|2.7-5.5
| --
|Ja
| --
|1
|Nein
|Nein
| --
|Nein
|Nein
|Nein
|Nein
|Nein
|Nein
|Ja
|PDIP8 SOIC8
| 0.58-0.87
|-
|[http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc1006.pdf ATtiny12]
|1
|64
| --
|6
|8
|1.8-5.5
| --
|Ja
| --
|1
|Ja
|Ja
| --
|Nein
|Nein
|Nein
|Ja
|Nein
|Nein
|Ja
|PDIP8 SOIC8
| 1.00-1.20
|-
|[http://www.atmel.com/Images/doc8126.pdf ATtiny13A]
|1
|64
|64
|6
|20
|1.8-5.5
|4 10bit
|Ja
| --
|1
|Ja
|Ja
|1<ref>Timer-PWM</ref>
|Nein
|Ja
|Ja
|Ja
|Nein
|Nein
|Ja
|PDIP8 SOIC8
| 0.70-1.20
|-
|[http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc1187.pdf ATtiny15]
|1
|64
| --
|6
|1.6
|2.7-5.5
|4 10bit
|Ja
| --
|2
|Ja
|ONLY
|1<ref>150kHz 8bit</ref>
|Nein
|Nein
|Nein
|Ja
|Nein
|Nein
|Ja
|PDIP8 SOIC8
| 1.15
|-
|[http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2586.pdf ATtiny85]
|8
|512
|512
|6
|20
|1.8-5.5
|4
|Ja
| --
|2
|Ja
|Ja
|4
|Nein
|Ja
|Nein
|Ja
|Nein
|Nein
|Ja
|PDIP8 SOIC8
| 1.30-2.00
|-
|[http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2543.pdf ATtiny2313]
|2
|128
|128
|18
|20
|2.7-5.5
| --
|Ja
|1
|1
|Ja
|Ja
|4
|Nein
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="usip">+USI</ref>
|Ja<ref name="usi">USI</ref>
|Ja<ref name="usart">USART</ref>
|Ja
|PDIP20 SOIC20 QFN20 MLF20
| 1.30
|-
|[http://www.atmel.com/Images/doc8246.pdf ATtiny4313]
|4
|256
|256
|18
|20
|1.8-5.5
| --
|Ja
|1
|1
|Ja
|Ja
|4
|Nein
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="usip">+USI</ref>
|Ja<ref name="usi">USI</ref>
|Ja<ref name="usart">USART</ref>
|Ja
|PDIP20 SOIC20 QFN20 MLF20
| 1.00-2.00
|-
|[http://atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc8006.pdf ATtiny24]
|2
|128
|128
|12
|20
|2.7-5.5
|8 10bit
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja
|4
|Nein
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="usip">+USI</ref>
|Ja<ref name="usi">USI</ref>
|Nein
|Ja
|PDIP14 SOIC14 QFN20/MLF20
|1.45
|-
|[http://www.atmel.com/Images/doc8183.pdf ATtiny84A]
|8
|512
|512
|12
|20
|1.8-5.5
|8 10bit
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja
|4
|Nein
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="usip">+USI</ref>
|Ja<ref name="usi">USI</ref>
|Nein
|Ja
|PDIP14 SOIC14 QFN20/MLF20
|1,00-4,00
|-
|[http://atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2588.pdf ATtiny261]
|2
|128
|128
|16
|20
|1,8-5,5
|11
|1
|1
|1
|Ja
|Ja
|2
|Nein
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="usip">+USI</ref>
|Ja<ref name="usi">USI</ref>
|Nein
|Ja
|PDIP20 SOIC20 MLF20 (TSSOP20 bei Tiny261A)
|1,15
|}

=== ATmega - Reihe ===
{| class="wikitable sortable" style="font-size: 10px;" id="AVR_Features_ATMega"
|-
!Typ||Flash (Kbytes)||EEPROM (Bytes)||SRAM (Bytes)||Max I/O Pins||F.max (MHz)||Vcc (V)||A/D Channels||Analog Comparator||16-bit Timer||8-bit Timer||Brown Out Detector||On Chip Oscillator||PWM Channels||RTC||Self Program Memory||Boot Code||SPI||TWI (I2C)||UART||Watchdog||Bauform||Preis<ref name="preis"/>
|-
|[http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/2486S.pdf ATmega8]
|8
|512
|1K
|23
|16
|2.7-5.5
|6 10bit PDIP 8 10bit TQFP QFN/MLF
|Ja
|1
|2
|Ja
|Ja
|3
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja USART
|Ja
|PDIP28 TQFP32 QFN/MLF32
| 2.25-4.00
|-
|[http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2466.pdf ATmega16]
|16
|512
|1K
|32
|16
|2.7-5.5
|8 10bit
|Ja
|1
|2
|Ja
|Ja
|4
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="ms">Master/Slave</ref>
|Ja
|1<ref name="usart">USART</ref>
|Ja
|PDIP40 TQFP44 QFN/MLF44
| 2.60-2.85
|-
|[http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2513.pdf ATmega162]
|16
|512
|1K
|35
|16
|2.7-5.5
|Keine
|Ja
|2
|2
|Ja
|Ja
|6
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="ms">Master/Slave</ref>
|Nein
|2<ref name="usart">USART</ref>
|Ja
|PDIP40 TQFP44 QFN/MLF44
| 2.70-3.80
|-
|[http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2503.pdf ATmega32]
|32
|1K
|2K
|32
|16
|2.7-5.5
|8 10bit
|Ja
|1
|2
|Ja
|Ja
|4
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="ms">Master/Slave</ref>
|Ja
|1<ref name="usart">USART</ref>
|Ja
|PDIP40 TQFP44 QFN/MLF44
| 3.20-4.60
|-
|[http://www.atmel.com/Images/doc8271.pdf ATmega48A]
|4
|256
|512
|23
|20
|1.8-5.5
|6 10bit PDIP 8 10bit TQFP QFN/MLF
|Ja
|1
|2
|Ja
|Ja
|6
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="ms">Master/Slave</ref>
|Ja
|1<ref name="usart">USART</ref>
|Ja
|PDIP28 TQFP32 QFN/MLF32
| 2.00-4.50
|-
|[http://www.atmel.com/Images/doc8271.pdf ATmega88A]
|8
|512
|1K
|23
|20
|1.8-5.5
|6 10bit PDIP 8 10bit TQFP QFN/MLF
|Ja
|1
|2
|Ja
|Ja
|6
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="ms">Master/Slave</ref>
|Ja
|1<ref name="usart">USART</ref>
|Ja
|PDIP28 TQFP32 QFN/MLF32
| 2.00-4.50
|-
|[http://www.atmel.com/Images/doc8271.pdf ATmega168A]
|16
|512
|1K
|23
|20
|1.8-5.5
|6 10bit PDIP 8 10bit TQFP QFN/MLF
|Ja
|1
|2
|Ja
|Ja
|6
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="ms">Master/Slave</ref>
|Ja
|1<ref name="usart">USART</ref>
|Ja
|PDIP28 TQFP32 QFN/MLF32
| 2.00-4.50
|-
|[http://www.atmel.com/Images/doc8271.pdf ATmega328]
|32
|1K
|2K
|23
|20
|1.8-5.5
|6 10bit PDIP 8 10bit TQFP QFN/MLF
|Ja
|1
|2
|Ja
|Ja
|6
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="ms">Master/Slave</ref>
|Ja
|1<ref name="usart">USART</ref>
|Ja
|PDIP28 TQFP32 QFN/MLF32
| 2.00-4.50
|-
|[http://www.atmel.com/Images/doc8272.pdf ATmega324A]
|32
|1K
|2K
|32
|20
|1.8-5.5
|8 10bit
|Ja
|1
|2
|Ja
|Ja
|6
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="ms">Master/Slave</ref>
|Ja
|2
|Ja
|PDIP40 TQFP44 VQFN44 QFN/MLF44 DRQFN44 VFBGA49
| 3.50-4.50
|-
|[http://www.atmel.com/atmel/acrobat/doc2490.pdf ATmega64]<ref>Geliefert im ATmega103-Modus. Fuse ändern!</ref>
|64
|2K
|4K
|53
|16
|2.7-5.5
|8 10bit
|Ja
|2
|2
|Ja
|Ja
|2 8bit, 6 2-16bit
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="ms">Master/Slave</ref>
|Ja
|1<ref name="usart">USART</ref>
|Ja
| TQFP64 QFN/MLF64
| 7.50-9.50
|-
|[http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2593.pdf ATmega644]
|64
|2K
|4K
|32
|20
|1.8-5.5
|8 10bit
|Ja
|1
|2
|Ja
|Ja
|6
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="ms">Master/Slave</ref>
|Ja
|1<ref name="usart">USART</ref> 2<ref>beim 644P</ref>
|Ja
|PDIP40 TQFP44 QFN/MLF44
| 6.80-7.50
|-
|[http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2467.pdf ATmega128]
|128
|4K
|4K
|53
|16
|2.7-5.5
|8 10bit
|Ja
|2
|2
|Ja
|Ja
|2 8bit 6 2-16bit
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="ms">Master/Slave</ref>
|Ja
|2<ref name="usart">USART</ref>
|Ja
|TQFP64 QFN/MLF64
|8.05-8.40
|-
|[http://www.atmel.com/dyn/products/product_card.asp?part_id=4331 ATmega1284P]
|128
|4K
|16K
|32
|20
|1.8-5.5
|8 10bit
|Ja
|2
|2
|Ja
|Ja
|6
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="ms">Master/Slave</ref>
|Ja
|2<ref name="usart">USART</ref>
|Ja
|PDIP40 TQFP44 QFN/MLF44
|5.50-7.00
|-
|[http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2549.pdf ATmega2560]
|256
|4K
|8K
|86
|16
|2.7-5.5
|16 10bit
|Ja
|4
|2
|Ja
|Ja
|16
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="ms">Master/Slave</ref>
|Ja
|4<ref name="usart">USART</ref>
|Ja
|TQFP100
|8.00-15.00
|-
|[http://www.atmel.com/atmel/acrobat/doc2512.pdf ATmega8515]
|8
|512
|512
|35
|16
|2.7-5.5
|Keine
|Ja
|1
|1
|Ja
|Ja
|1 8-bit, 1 16-bit
|Nein
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="ms">Master/Slave</ref>
|Nein
|1<ref name="usart">USART</ref>
|Ja
|PDIP20 TQFP44 PLCC44 QFN/MLF44
|3.20-3.90
|-
|[http://www.atmel.com/atmel/acrobat/doc2502.pdf ATmega8535]
|8
|512
|512
|32
|16
|2.7-5.5
|8 10bit
|Ja
|1
|2
|Ja
|Ja
|2 8-bit, 2 16-bit
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="ms">Master/Slave</ref>
|Ja
|1<ref name="usart">USART</ref>
|Ja
|PDIP44 PLCC44 QFN/MLF44
|3.15-3.75



|}

Hinweis: Die angegebenen Preise sind Richtwerte. Es empfiehlt sich die Verwendung einer Preissuchmaschine, z.B. [http://www.google.de/shopping google.de/shopping].

=== ATXMega - Reihe ===
{| class="wikitable sortable" style="font-size: 10px;" id="AVR_Features_ATXMega"
|-
!Typ||Flash (Kbytes)||EEPROM (KBytes)||SRAM (KBytes)||Boot (Kbytes)||Max I/O Pins||F.max (MHz)||Vcc (V)||ADC||DAC||PWM Channels||16-Bit Timer||SPI||TWI (I2C)||UART||Bauformen
|-
|ATxmega16a4
|16
|1
|2
|4
|34
|32
|1,6 - 3,6
|12-CH @ 12-Bit
|2-CH @ 12-Bit
|16
|5
|2
|2
|5
|TQFP44
|-
|ATxmega32a4
|32
|1
|4
|4
|34
|32
|1,6 - 3,6
|12-CH @ 12-Bit
|2-CH @ 12-Bit
|16
|5
|2
|2
|5
|TQFP44
|-
|ATxmega64a4
|64
|2
|4
|4
|34
|32
|1,6 - 3,6
|12-CH @ 12-Bit
|2-CH @ 12-Bit
|16
|5
|2
|2
|5
|TQFP44
|-
|ATxmega128a4
|128
|2
|8
|8
|34
|32
|1,6 - 3,6
|12-CH @ 12-Bit
|2-CH @ 12-Bit
|16
|5
|2
|2
|5
|TQFP44
|-
|ATxmega64a3
|64
|2
|4
|4
|50
|32
|1,6 - 3,6
|2x 8-CH @ 12-Bit
|2-CH @ 12-Bit
|22
|7
|3
|2
|7
|TQFP64
|-
|ATxmega128a3
|128
|2
|8
|8
|50
|32
|1,6 - 3,6
|2x 8-CH @ 12-Bit
|2-CH @ 12-Bit
|22
|7
|3
|2
|7
|TQFP64
|-
|ATxmega192a3
|192
|2
|16
|8
|50
|32
|1,6 - 3,6
|2x 8-CH @ 12-Bit
|2-CH @ 12-Bit
|22
|7
|3
|2
|7
|TQFP64
|-
|ATxmega256a3
|256
|4
|16
|8
|50
|32
|1,6 - 3,6
|2x 8-CH @ 12-Bit
|2-CH @ 12-Bit
|22
|7
|3
|2
|7
|TQFP64
|-
|ATxmega64a1
|64
|2
|4
|4
|78
|32
|1,6 - 3,6
|2x 8-CH @ 12-Bit
|2x 2-CH @ 12-Bit
|24
|8
|4
|4
|8
|TQFP100
|-
|ATxmega128a1
|128
|2
|8
|8
|78
|32
|1,6 - 3,6
|2x 8-CH @ 12-Bit
|2x 2-CH @ 12-Bit
|24
|8
|4
|4
|8
|TQFP100
|-
|ATxmega192a1
|192
|2
|16
|8
|78
|32
|1,6 - 3,6
|2x 8-CH @ 12-Bit
|2x 2-CH @ 12-Bit
|24
|8
|4
|4
|8
|TQFP100
|-
|ATxmega256a1
|256
|4
|16
|8
|78
|32
|1,6 - 3,6
|2x 8-CH @ 12-Bit
|2x 2-CH @ 12-Bit
|24
|8
|4
|4
|8
|TQFP100
|-
|ATxmega384a1
|384
|4
|32
|8
|78
|32
|1,6 - 3,6
|2x 8-CH @ 12-Bit
|2x 2-CH @ 12-Bit
|24
|8
|4
|4
|8
|TQFP100
|-
|ATxmega16d4
|16
|1
|2
|4
|34
|32
|1,6 - 3,6
|12-CH @ 12-Bit
|0
|16
|4
|2
|2
|2
|TQFP44
|-
|ATxmega32d4
|32
|1
|4
|4
|34
|32
|1,6 - 3,6
|12-CH @ 12-Bit
|0
|16
|4
|2
|2
|2
|TQFP44
|-
|ATxmega64d4
|64
|2
|4
|4
|34
|32
|1,6 - 3,6
|12-CH @ 12-Bit
|0
|16
|4
|2
|2
|2
|TQFP44
|-
|ATxmega128d4
|128
|2
|8
|8
|34
|32
|1,6 - 3,6
|12-CH @ 12-Bit
|0
|16
|4
|2
|2
|2
|TQFP44
|-
|ATxmega64d3
|64
|2
|4
|4
|50
|32
|1,6 - 3,6
|16-CH @ 12-Bit
|0
|18
|5
|2
|2
|3
|TQFP64
|-
|ATxmega128d3
|128
|2
|8
|8
|50
|32
|1,6 - 3,6
|16-CH @ 12-Bit
|0
|18
|5
|2
|2
|3
|TQFP64
|-
|ATxmega192d3
|192
|2
|16
|8
|50
|32
|1,6 - 3,6
|16-CH @ 12-Bit
|0
|18
|5
|2
|2
|3
|TQFP64
|-
|ATxmega256d3
|256
|4
|16
|8
|50
|32
|1,6 - 3,6
|16-CH @ 12-Bit
|0
|18
|5
|2
|2
|3
|TQFP64
|}

== Weitere Vergleichstabellen ==
Vergleichstabellen zum Downloaden gibt es unter Anderem
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/242328 von Andreas], Stand 19.12.2011; vollständig,
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/232939 von Sven], Stand 22.09.2011; weiter eingedampft.

=== ATtiny ===

{| class="wikitable"
|+ '''Device-specific Features'''  
|- valign="top"
! Device
! Flash [KiB]
! Pin Anzahl
! Max. &fnof;CPU [MHz]
! of Touch Kanäle
! Hardware Qtouch
! Max I/O Pins
! Ext Interrupts
! SPI
! TWI
! UART
! LIN
! ADC Kanäle
! ADC Auflösung [bits]
! ADC Speed [ksps]
! Temp. Sensor
! SRAM [KiB]
! EEPROM [Bytes]
! Self Program Memory
! picoPower
! Temp. Bereich [°C]
! I/O Supply Class [V]
! Operating Voltage [VCC]
! Timers
! Output Compare Kanäle
! Input Capture Kanäle
! PWM Kanäle
! 32kHz RTC
! Device
|-
| '''ATtiny28L''' || 2 || 28 || 4 || — || — || 11 || 10 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || — || 0.03 || 0 || — || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 1 || 0 || 0 || 0 || — || '''ATtiny28L'''
|-
| '''ATtiny26''' || 2 || 20 || 16 || — || — || 16 || 11 || 1 || 1 || 0 || 0 || 11 || 10 || 15 || — || 0.12 || 128 || — || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 2 || 3 || 0 || 4 || — || '''ATtiny26'''
|-
| '''ATtiny13''' || 1 || 8 || 20 || — || — || 6 || 6 || 0 || 0 || 0 || 0 || 4 || 10 || 15 || — || 0.06 || 64 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 1 || 2 || 0 || 2 || — || '''ATtiny13'''
|-
| '''ATtiny2313''' || 2 || 20 || 20 || 4 || — || 18 || 18 || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 15 || — || 0.12 || 128 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 4 || 1 || 4 || — || '''ATtiny2313'''
|-
| '''ATtiny25''' || 2 || 8 || 20 || 4 || — || 6 || 6 || 1 || 1 || 0 || 0 || 4 || 10 || 15 || √ || 0.12 || 128 || √ || — || −40 – 105 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 5 || 0 || 6 || — || '''ATtiny25'''
|-
| '''ATtiny85''' || 8 || 8 || 20 || 3 || — || 6 || 6 || 1 || 1 || 0 || 0 || 4 || 10 || 15 || √ || 0.5 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 5 || 0 || 6 || — || '''ATtiny85'''
|-
| '''ATtiny45''' || 4 || 8 || 20 || 3 || — || 6 || 6 || 1 || 1 || 0 || 0 || 4 || 10 || 15 || √ || 0.25 || 256 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 5 || 0 || 6 || — || '''ATtiny45'''
|-
| '''ATtiny24''' || 2 || 14 || 20 || 4 || — || 12 || 12 || 1 || 1 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || √ || 0.12 || 128 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 4 || 1 || 4 || — || '''ATtiny24'''
|-
| '''ATtiny44''' || 4 || 14 || 20 || 6 || — || 12 || 12 || 1 || 1 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || √ || 0.25 || 256 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 4 || 1 || 4 || — || '''ATtiny44'''
|-
| '''ATtiny84''' || 8 || 14 || 20 || 6 || — || 12 || 12 || 1 || 1 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || √ || 0.5 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 4 || 1 || 4 || — || '''ATtiny84'''
|-
| '''ATtiny261''' || 2 || 20 || 20 || 4 || — || 16 || 16 || 1 || 1 || 0 || 0 || 11 || 10 || 15 || √ || 0.12 || 128 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 6 || 1 || 6 || — || '''ATtiny261'''
|-
| '''ATtiny461''' || 4 || 20 || 20 || 8 || — || 16 || 16 || 1 || 1 || 0 || 0 || 11 || 10 || 15 || √ || 0.25 || 256 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 6 || 1 || 6 || — || '''ATtiny461'''
|-
| '''ATtiny861''' || 8 || 20 || 20 || 8 || — || 16 || 16 || 1 || 1 || 0 || 0 || 11 || 10 || 15 || √ || 0.5 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 6 || 1 || 6 || — || '''ATtiny861'''
|-
| '''ATtiny13A''' || 1 || 8 || 20 || — || — || 6 || 6 || 0 || 0 || 0 || 0 || 4 || 10 || 15 || — || 0.06 || 64 || √ || √ || −40 – 125 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 1 || 2 || 0 || 2 || — || '''ATtiny13A'''
|-
| '''ATtiny48''' || 4 || 32 || 12 || 12 || — || 28 || 28 || 1 || 1 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || √ || 0.25 || 64 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 4 || 1 || 2 || — || '''ATtiny48'''
|-
| '''ATtiny88''' || 8 || 32 || 12 || 12 || — || 28 || 28 || 1 || 1 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || √ || 0.5 || 64 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 4 || 1 || 2 || — || '''ATtiny88'''
|-
| '''ATtiny24A''' || 2 || 14 || 20 || 4 || — || 12 || 12 || 1 || 1 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || √ || 0.12 || 128 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 4 || 1 || 4 || — || '''ATtiny24A'''
|-
| '''ATtiny44A''' || 4 || 14 || 20 || 6 || — || 12 || 12 || 1 || 1 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || √ || 0.25 || 256 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 4 || 1 || 4 || — || '''ATtiny44A'''
|-
| '''ATtiny43U''' || 4 || 20 || 8 || 8 || — || 16 || 16 || 1 || 1 || 0 || 0 || 4 || 10 || 15 || √ || 0.25 || 64 || √ || √ || −40 – 85 || 0.7 – 5.5 || 0.7 – 5.5 || 2 || 4 || 0 || 4 || — || '''ATtiny43U'''
|-
| '''ATtiny10''' || 1 || 6 || 12 || 1 || — || 4 || 4 || 0 || 0 || 0 || 0 || 4 || 8 || 15 || — || 0.03 || 0 || — || — || −40 – 125 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 1 || 2 || 1 || 2 || — || '''ATtiny10'''
|-
| '''ATtiny4''' || 0.5 || 6 || 12 || 1 || — || 4 || 4 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || — || 0.03 || 0 || — || — || −40 – 125 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 1 || 2 || 1 || 2 || — || '''ATtiny4'''
|-
| '''ATtiny5''' || 0.5 || 6 || 12 || 1 || — || 4 || 4 || 0 || 0 || 0 || 0 || 4 || 8 || 15 || — || 0.03 || 0 || — || — || −40 – 125 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 1 || 2 || 1 || 2 || — || '''ATtiny5'''
|-
| '''ATtiny9''' || 1 || 6 || 12 || 1 || — || 4 || 4 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || — || 0.03 || 0 || — || — || −40 – 125 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 1 || 2 || 1 || 2 || — || '''ATtiny9'''
|-
| '''ATtiny261A''' || 2 || 20 || 20 || 4 || — || 16 || 16 || 1 || 1 || 0 || 0 || 11 || 10 || 15 || √ || 0.12 || 128 || √ || √ || −40 – 105 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 6 || 1 || 6 || — || '''ATtiny261A'''
|-
| '''ATtiny461A''' || 4 || 20 || 20 || 8 || — || 16 || 16 || 1 || 1 || 0 || 0 || 11 || 10 || 15 || √ || 0.25 || 256 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 6 || 1 || 6 || — || '''ATtiny461A'''
|-
| '''ATtiny861A''' || 8 || 20 || 20 || 8 || — || 16 || 16 || 1 || 1 || 0 || 0 || 11 || 10 || 15 || √ || 0.5 || 512 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 6 || 1 || 6 || — || '''ATtiny861A'''
|-
| '''ATtiny2313A''' || 2 || 20 || 20 || — || — || 18 || 18 || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 15 || — || 0.12 || 128 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 4 || 1 || 4 || — || '''ATtiny2313A'''
|-
| '''ATtiny4313''' || 4 || 20 || 20 || — || — || 18 || 18 || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 15 || — || 0.25 || 256 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 4 || 1 || 4 || — || '''ATtiny4313'''
|-
| '''ATtiny167''' || 16 || 20 || 16 || 8 || — || 16 || 16 || 2 || 1 || 1 || 1 || 11 || 10 || 15 || √ || 0.5 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 3 || 1 || 9 || √ || '''ATtiny167'''
|-
| '''ATtiny87''' || 8 || 20 || 16 || — || — || 16 || 16 || 2 || 1 || 1 || 1 || 11 || 10 || 15 || √ || 0.5 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 3 || 1 || 9 || √ || '''ATtiny87'''
|-
| '''ATtiny20''' || 2 || 14 || 12 || 5 || √ || 12 || 12 || 1 || 1 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || √ || 0.12 || 0 || — || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 4 || 1 || 3 || — || '''ATtiny20'''
|-
| '''ATtiny40''' || 4 || 20 || 12 || 12 || √ || 18 || 18 || 1 || 1 || 0 || 0 || 12 || 10 || 15 || √ || 0.25 || 0 || — || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 4 || 1 || 2 || — || '''ATtiny40'''
|-
| '''ATtiny84A''' || 8 || 14 || 20 || 6 || — || 12 || 12 || 1 || 1 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || √ || 0.5 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 4 || 1 || 4 || — || '''ATtiny84A'''
|}

{| class="wikitable"
|+ '''General Features'''  
|-
| '''CPU''' || 8-bit AVR
|-
| '''Quadrature Decoder Kanäle''' || 0
|-
| '''USB Transceiver''' || 0
|-
| '''USB Speed''' || nein
|-
| '''USB Interface''' || nein
|-
| '''CAN''' || 0
|-
| '''SSC''' || 0
|-
| '''Ethernet''' || 0
|-
| '''SD / eMMC''' || 0
|-
| '''Segment LCD''' || 0
|-
| '''Grafik LCD''' || nein
|-
| '''Video Decoder''' || nein
|-
| '''Kamera Interface''' || nein
|-
| '''Analog Comparators''' || 1
|-
| '''Resistive Touch Screen''' || nein
|-
| '''DAC Kanäle''' || 0
|-
| '''DAC Auflösung [bits]''' || 0
|-
| '''External Bus Interface''' || 0
|-
| '''DRAM Memory''' || nein
|-
| '''NAND Interface''' || nein
|-
| '''FPU''' || nein
|-
| '''MPU / MMU''' || nein / nein
|-
| '''Crypto Engine''' || nein
|-
| '''Calibrated RC Oscillator''' || ja
|}

=== ATmega ===

{| class="wikitable"
|+ '''Device-specific Features'''  
|- valign="top"
! Device
! Flash [KiB]
! Pin Anzahl
! Max. &fnof;CPU [MHz]
! of Touch Kanäle
! Max I/O Pins
! Ext Interrupts
! USB Transceiver
! USB Speed
! USB Interface
! SPI
! TWI
! UART
! CAN
! LIN
! Segment LCD
! ADC Kanäle
! ADC Auflösung [bits]
! ADC Speed [ksps]
! Analog Comparators
! DAC Kanäle
! DAC Auflösung [bits]
! Temp. Sensor
! SRAM [KiB]
! EEPROM [Bytes]
! Self Program Memory
! picoPower
! Temp. Bereich [°C]
! I/O Supply Class [V]
! Operating Voltage [VCC]
! Timers
! Output Compare Kanäle
! Input Capture Kanäle
! PWM Kanäle
! 32kHz RTC
! Device
|-
| '''ATmega8''' || 8 || 32 || 16 || 12 || 23 || 2 || 0 || — || — || 1 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 1 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 3 || 3 || 1 || 3 || √ || '''ATmega8'''
|-
| '''ATmega8515''' || 8 || 44 || 16 || 16 || 35 || 3 || 0 || — || — || 1 || 0 || 1 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || — || 0.5 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 2 || 3 || 1 || 3 || — || '''ATmega8515'''
|-
| '''ATmega8535''' || 8 || 44 || 16 || 16 || 32 || 3 || 0 || — || — || 1 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 0.5 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega8535'''
|-
| '''ATmega16''' || 16 || 44 || 16 || 16 || 32 || 3 || 0 || — || — || 1 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 1 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega16'''
|-
| '''ATmega32''' || 32 || 44 || 16 || 16 || 32 || 3 || 0 || — || — || 1 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega32'''
|-
| '''ATmega64''' || 64 || 64 || 16 || 16 || 53 || 8 || 0 || — || — || 1 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 4 || 8 || 2 || 7 || √ || '''ATmega64'''
|-
| '''ATmega128''' || 128 || 64 || 16 || 16 || 53 || 8 || 0 || — || — || 1 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 4096 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 4 || 8 || 2 || 7 || √ || '''ATmega128'''
|-
| '''ATmega162''' || 16 || 44 || 16 || 16 || 35 || 3 || 0 || — || — || 1 || 0 || 2 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 1 || 0 || 0 || — || 1 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 4 || 6 || 2 || 6 || √ || '''ATmega162'''
|-
| '''ATmega48''' || 4 || 32 || 20 || 12 || 23 || 24 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 0.5 || 256 || — || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega48'''
|-
| '''ATmega88''' || 8 || 32 || 20 || 12 || 23 || 24 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 1 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega88'''
|-
| '''ATmega168''' || 16 || 32 || 20 || 16 || 23 || 24 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 1 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega168'''
|-
| '''AT90CAN128''' || 128 || 64 || 16 || 16 || 53 || 8 || 0 || — || — || 1 || 1 || 2 || 1 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 4096 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 4 || 8 || 2 || 7 || √ || '''AT90CAN128'''
|-
| '''ATmega325''' || 32 || 64 || 16 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega325'''
|-
| '''ATmega3250''' || 32 || 100 || 16 || 16 || 69 || 25 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega3250'''
|-
| '''ATmega6450''' || 64 || 100 || 16 || — || 69 || 25 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega6450'''
|-
| '''ATmega645''' || 64 || 64 || 16 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega645'''
|-
| '''ATmega329''' || 32 || 64 || 16 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 100 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega329'''
|-
| '''ATmega3290''' || 32 || 100 || 16 || 16 || 69 || 32 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 160 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega3290'''
|-
| '''ATmega649''' || 64 || 64 || 16 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 100 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega649'''
|-
| '''ATmega6490''' || 64 || 100 || 16 || 16 || 69 || 32 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 160 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega6490'''
|-
| '''ATmega640''' || 64 || 100 || 16 || 16 || 86 || 32 || 0 || — || — || 5 || 1 || 4 || 0 || 0 || 0 || 16 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 8 || 4096 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 6 || 16 || 4 || 15 || √ || '''ATmega640'''
|-
| '''ATmega1281''' || 128 || 64 || 16 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 3 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 8 || 4096 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 6 || 16 || 2 || 8 || √ || '''ATmega1281'''
|-
| '''ATmega2561''' || 256 || 64 || 16 || — || 54 || 17 || 0 || — || — || 3 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 8 || 4096 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 6 || 16 || 2 || 8 || √ || '''ATmega2561'''
|-
| '''ATmega2560''' || 256 || 100 || 16 || — || 86 || 32 || 0 || — || — || 5 || 1 || 4 || 0 || 0 || 0 || 16 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 8 || 4096 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 6 || 16 || 4 || 15 || √ || '''ATmega2560'''
|-
| '''ATmega1280''' || 128 || 100 || 16 || 16 || 86 || 32 || 0 || — || — || 5 || 1 || 4 || 0 || 0 || 0 || 16 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 8 || 4096 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 6 || 16 || 4 || 15 || √ || '''ATmega1280'''
|-
| '''ATmega644''' || 64 || 44 || 20 || 16 || 32 || 32 || 0 || — || — || 3 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega644'''
|-
| '''AT90CAN32''' || 32 || 64 || 16 || 16 || 53 || 8 || 0 || — || — || 1 || 1 || 2 || 1 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 4 || 8 || 2 || 7 || √ || '''AT90CAN32'''
|-
| '''AT90CAN64''' || 64 || 64 || 16 || 16 || 53 || 8 || 0 || — || — || 1 || 1 || 2 || 1 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 4 || 8 || 2 || 7 || √ || '''AT90CAN64'''
|-
| '''AT90USB1286''' || 128 || 64 || 16 || 16 || 48 || 16 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 8 || 4096 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 4 || 10 || 1 || 9 || √ || '''AT90USB1286'''
|-
| '''AT90USB1287''' || 128 || 64 || 16 || 16 || 48 || 16 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbo">Device + OTG</ref> || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 8 || 4096 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 4 || 10 || 1 || 9 || √ || '''AT90USB1287'''
|-
| '''AT90USB647''' || 64 || 64 || 16 || 16 || 48 || 16 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbo">Device + OTG</ref> || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 4 || 10 || 1 || 9 || √ || '''AT90USB647'''
|-
| '''AT90USB646''' || 64 || 64 || 16 || 16 || 48 || 16 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 4 || 10 || 1 || 9 || √ || '''AT90USB646'''
|-
| '''ATmega164P''' || 16 || 44 || 20 || 16 || 32 || 32 || 0 || — || — || 3 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 1 || 512 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega164P'''
|-
| '''ATmega324P''' || 32 || 44 || 20 || 16 || 32 || 32 || 0 || — || — || 3 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega324P'''
|-
| '''ATmega165P''' || 16 || 64 || 16 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 1 || 512 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega165P'''
|-
| '''ATmega169P''' || 16 || 64 || 16 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 100 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 1 || 512 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega169P'''
|-
| '''ATmega644P''' || 64 || 44 || 20 || 16 || 32 || 32 || 0 || — || — || 3 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega644P'''
|-
| '''AT90PWM1''' || 8 || 24 || 16 || 8 || 19 || 4 || 0 || — || — || 1 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 125 || 2 || 0 || 0 || — || 0.5 || 512 || √ || — || −40 – 105 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 4 || 12 || 1 || 7 || — || '''AT90PWM1'''
|-
| '''ATmega329P''' || 32 || 64 || 20 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 100 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega329P'''
|-
| '''ATmega3290P''' || 32 || 100 || 20 || 16 || 69 || 32 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 160 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega3290P'''
|-
| '''ATmega325P''' || 32 || 64 || 20 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega325P'''
|-
| '''ATmega3250P''' || 32 || 100 || 20 || 16 || 69 || 25 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega3250P'''
|-
| '''AT90USB82''' || 8 || 32 || 16 || 12 || 22 || 21 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 2 || 0 || 1 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 1 || 0 || 0 || — || 0.5 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 2 || 5 || 1 || 4 || — || '''AT90USB82'''
|-
| '''AT90USB162''' || 16 || 32 || 16 || — || 22 || 21 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 2 || 0 || 1 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 1 || 0 || 0 || — || 0.5 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 2 || 5 || 1 || 4 || — || '''AT90USB162'''
|-
| '''AT90PWM216''' || 16 || 24 || 16 || 12 || 19 || 4 || 0 || — || — || 1 || 0 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 125 || 2 || 1 || 10 || — || 1 || 512 || √ || — || −40 – 105 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 4 || 12 || 1 || 7 || — || '''AT90PWM216'''
|-
| '''AT90PWM316''' || 16 || 32 || 16 || 12 || 27 || 4 || 0 || — || — || 1 || 0 || 1 || 0 || 0 || 0 || 11 || 10 || 125 || 3 || 1 || 10 || — || 1 || 512 || √ || — || −40 – 105 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 5 || 16 || 1 || 12 || — || '''AT90PWM316'''
|-
| '''ATmega48P''' || 4 || 32 || 20 || 12 || 23 || 24 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || √ || 0.5 || 256 || — || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega48P'''
|-
| '''ATmega88P''' || 8 || 32 || 20 || 12 || 23 || 24 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || √ || 1 || 512 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega88P'''
|-
| '''ATmega168P''' || 16 || 32 || 20 || 16 || 23 || 24 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || √ || 1 || 512 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega168P'''
|-
| '''ATmega328P''' || 32 || 32 || 20 || 16 || 23 || 24 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || √ || 2 || 1024 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega328P'''
|-
| '''AT90PWM3B''' || 8 || 32 || 16 || 8 || 27 || 4 || 0 || — || — || 1 || 0 || 1 || 0 || 0 || 0 || 11 || 10 || 125 || 3 || 1 || 10 || — || 0.5 || 512 || √ || — || −40 – 105 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 5 || 16 || 1 || 12 || — || '''AT90PWM3B'''
|-
| '''AT90PWM2B''' || 8 || 24 || 16 || 8 || 19 || 4 || 0 || — || — || 1 || 0 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 125 || 2 || 1 || 10 || — || 0.5 || 512 || √ || — || −40 – 105 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 4 || 12 || 1 || 7 || — || '''AT90PWM2B'''
|-
| '''ATmega32U4''' || 32 || 44 || 16 || 14 || 26 || 13 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 12 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || √ || 2.5 || 1024 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 4 || 12 || 2 || 8 || — || '''ATmega32U4'''
|-
| '''ATmega1284P''' || 128 || 44 || 20 || 16 || 32 || 32 || 0 || — || — || 3 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 16 || 4096 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega1284P'''
|-
| '''ATmega16U4''' || 16 || 44 || 16 || 14 || 26 || 13 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 12 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || √ || 1.25 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 4 || 12 || 2 || 8 || — || '''ATmega16U4'''
|-
| '''ATmega16A''' || 16 || 44 || 16 || 16 || 32 || 3 || 0 || — || — || 1 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 1 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega16A'''
|-
| '''ATmega32A''' || 32 || 44 || 16 || 16 || 32 || 3 || 0 || — || — || 1 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega32A'''
|-
| '''ATmega88PA''' || 8 || 32 || 20 || 12 || 23 || 24 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || √ || 1 || 512 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega88PA'''
|-
| '''ATmega324PA''' || 32 || 44 || 20 || 16 || 32 || 32 || 0 || — || — || 3 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega324PA'''
|-
| '''ATmega48PA''' || 4 || 32 || 20 || 12 || 23 || 24 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || √ || 0.5 || 256 || — || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega48PA'''
|-
| '''ATmega164PA''' || 16 || 44 || 20 || 16 || 32 || 32 || 0 || — || — || 3 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 1 || 512 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega164PA'''
|-
| '''ATmega64A''' || 64 || 64 || 16 || 16 || 53 || 8 || 0 || — || — || 1 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 4 || 8 || 2 || 7 || √ || '''ATmega64A'''
|-
| '''ATmega128A''' || 128 || 64 || 16 || 16 || 53 || 8 || 0 || — || — || 1 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 4096 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 4 || 8 || 2 || 7 || √ || '''ATmega128A'''
|-
| '''ATmega8A''' || 8 || 32 || 16 || 12 || 23 || 2 || 0 || — || — || 1 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 1 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 3 || — || — || 3 || √ || '''ATmega8A'''
|-
| '''ATmega168PA''' || 16 || 32 || 20 || 16 || 23 || 24 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || √ || 1 || 512 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega168PA'''
|-
| '''ATmega8U2''' || 8 || 32 || 16 || — || 22 || 20 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 2 || 0 || 1 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 1 || 0 || 0 || — || 0.5 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 2 || 5 || 1 || 4 || — || '''ATmega8U2'''
|-
| '''ATmega16U2''' || 16 || 32 || 16 || 12 || 22 || 21 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 2 || 0 || 1 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 1 || 0 || 0 || — || 0.5 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 2 || 5 || 1 || 4 || — || '''ATmega16U2'''
|-
| '''ATmega32U2''' || 32 || 32 || 16 || 12 || 22 || 20 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 2 || 0 || 1 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 1 || 0 || 0 || — || 1 || 1024 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 2 || 5 || 1 || 4 || — || '''ATmega32U2'''
|-
| '''ATmega644PA''' || 64 || 44 || 20 || 16 || 32 || 32 || 0 || — || — || 3 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega644PA'''
|-
| '''ATmega16M1''' || 16 || 32 || 16 || 12 || 27 || 27 || 0 || — || — || 1 || 0 || 1 || 1 || 1 || 0 || 11 || 10 || 125 || 4 || 1 || 10 || √ || 1 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 2 || 14 || 1 || 10 || — || '''ATmega16M1'''
|-
| '''ATmega32M1''' || 32 || 32 || 16 || 12 || 27 || 27 || 0 || — || — || 1 || 0 || 1 || 1 || 1 || 0 || 11 || 10 || 125 || 4 || 1 || 10 || √ || 2 || 1024 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 2 || 14 || 1 || 10 || — || '''ATmega32M1'''
|-
| '''ATmega64M1''' || 64 || 32 || 16 || 12 || 27 || 27 || 0 || — || — || 1 || 0 || 1 || 1 || 1 || 0 || 11 || 10 || 125 || 4 || 1 || 10 || √ || 4 || 2048 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 2 || 14 || 1 || 10 || — || '''ATmega64M1'''
|-
| '''ATmega169PA''' || 16 || 64 || 16 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 100 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 1 || 512 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega169PA'''
|-
| '''ATmega48A''' || 4 || 32 || 20 || 12 || 23 || 24 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || √ || 0.5 || 256 || — || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega48A'''
|-
| '''ATmega88A''' || 8 || 32 || 20 || 12 || 23 || 24 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || √ || 1 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega88A'''
|-
| '''ATmega168A''' || 16 || 32 || 20 || 16 || 23 || 24 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || √ || 1 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega168A'''
|-
| '''ATmega328''' || 32 || 32 || 20 || 16 || 23 || 24 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || √ || 2 || 1024 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega328'''
|-
| '''ATmega164A''' || 16 || 44 || 20 || 16 || 32 || 32 || 0 || — || — || 3 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 1 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega164A'''
|-
| '''ATmega324A''' || 32 || 44 || 20 || 16 || 32 || 32 || 0 || — || — || 3 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega324A'''
|-
| '''ATmega644A''' || 64 || 44 || 20 || 16 || 32 || 32 || 0 || — || — || 3 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega644A'''
|-
| '''ATmega1284''' || 128 || 44 || 20 || 16 || 32 || 32 || 0 || — || — || 3 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 16 || 4096 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega1284'''
|-
| '''AT90PWM81''' || 8 || 20 || 16 || — || 20 || 3 || 0 || — || — || 1 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 11 || 10 || 125 || 3 || 1 || 10 || √ || 0.25 || 512 || √ || — || −40 – 125 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 1 || 8 || 1 || 6 || — || '''AT90PWM81'''
|-
| '''ATmega165PA''' || 16 || 64 || 16 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 1 || 512 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega165PA'''
|-
| '''ATmega325A''' || 32 || 64 || 20 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega325A'''
|-
| '''ATmega3250A''' || 32 || 100 || 20 || 16 || 69 || 25 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega3250A'''
|-
| '''ATmega645A''' || 64 || 64 || 16 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega645A'''
|-
| '''ATmega645P''' || 64 || 64 || 16 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega645P'''
|-
| '''ATmega6450P''' || 64 || 100 || 20 || — || 69 || 25 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega6450P'''
|-
| '''ATmega6450A''' || 64 || 100 || 20 || — || 69 || 25 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega6450A'''
|-
| '''ATmega169A''' || 16 || 64 || 16 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 100 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 1 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega169A'''
|-
| '''ATmega329A''' || 32 || 64 || 20 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 100 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega329A'''
|-
| '''ATmega649A''' || 64 || 64 || 16 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 100 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega649A'''
|-
| '''ATmega3290A''' || 32 || 100 || 20 || 16 || 69 || 32 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 160 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega3290A'''
|-
| '''ATmega649P''' || 64 || 64 || 16 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 100 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega649P'''
|-
| '''ATmega6490A''' || 64 || 100 || 20 || 16 || 69 || 32 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 160 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega6490A'''
|-
| '''ATmega6490P''' || 64 || 100 || 20 || 16 || 69 || 32 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 160 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega6490P'''
|-
| '''ATmega329PA''' || 32 || 64 || 20 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 100 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega329PA'''
|}

{| class="wikitable"
|+ '''General Features'''  
|-
| '''CPU''' || 8-bit AVR
|-
| '''Hardware Qtouch''' || nein
|-
| '''Quadrature Decoder Kanäle''' || 0
|-
| '''SSC''' || 0
|-
| '''Ethernet''' || 0
|-
| '''SD / eMMC''' || 0
|-
| '''Grafik LCD''' || nein
|-
| '''Video Decoder''' || nein
|-
| '''Kamera Interface''' || nein
|-
| '''Resistive Touch Screen''' || nein
|-
| '''External Bus Interface''' || 0
|-
| '''DRAM Memory''' || nein
|-
| '''NAND Interface''' || nein
|-
| '''FPU''' || nein
|-
| '''MPU / MMU''' || nein / nein
|-
| '''Crypto Engine''' || nein
|-
| '''Calibrated RC Oscillator''' || ja
|}

=== ATxmega ===

{| class="wikitable"
|+ '''Device-specific Features'''  
|- valign="top"
! Device
! Flash [KiB]
! Pin Anzahl
! of Touch Kanäle
! Max I/O Pins
! Ext Interrupts
! USB Transceiver
! USB Speed
! USB Interface
! SPI
! TWI
! UART
! Segment LCD
! ADC Kanäle
! ADC Speed [ksps]
! Analog Comparators
! DAC Kanäle
! DAC Auflösung [bits]
! SRAM [KiB]
! EEPROM [Bytes]
! External Bus Interface
! DRAM Memory
! Crypto Engine
! Timers
! Output Compare Kanäle
! Input Capture Kanäle
! PWM Kanäle
! Device
|-
| '''ATxmega64A1''' || 64 || 100 || 16 || 78 || 78 || 0 || — || — || 12 || 4 || 8 || 0 || 16 || 2000 || 4 || 4 || 12 || 4 || 2048 || 1 || ja<ref name="sdram">SDRAM</ref> || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 8 || 24 || 24 || 24 || '''ATxmega64A1'''
|-
| '''ATxmega128A1''' || 128 || 100 || 16 || 78 || 78 || 0 || — || — || 12 || 4 || 8 || 0 || 16 || 2000 || 4 || 4 || 12 || 8 || 2048 || 1 || ja<ref name="sdram">SDRAM</ref> || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 8 || 24 || 24 || 24 || '''ATxmega128A1'''
|-
| '''ATxmega64A3''' || 64 || 64 || 16 || 50 || 50 || 0 || — || — || 10 || 2 || 7 || 0 || 16 || 2000 || 4 || 2 || 12 || 4 || 2048 || 0 || — || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 7 || 22 || 22 || 22 || '''ATxmega64A3'''
|-
| '''ATxmega128A3''' || 128 || 64 || 16 || 50 || 50 || 0 || — || — || 10 || 2 || 7 || 0 || 16 || 2000 || 4 || 2 || 12 || 8 || 2048 || 0 || — || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 7 || 22 || 22 || 22 || '''ATxmega128A3'''
|-
| '''ATxmega192A3''' || 192 || 64 || 16 || 50 || 50 || 0 || — || — || 10 || 2 || 7 || 0 || 16 || 2000 || 4 || 2 || 12 || 16 || 2048 || 0 || — || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 7 || 22 || 22 || 22 || '''ATxmega192A3'''
|-
| '''ATxmega256A3''' || 256 || 64 || 16 || 50 || 50 || 0 || — || — || 10 || 2 || 7 || 0 || 16 || 2000 || 4 || 2 || 12 || 16 || 4096 || 0 || — || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 7 || 22 || 22 || 22 || '''ATxmega256A3'''
|-
| '''ATxmega16A4''' || 16 || 44 || 16 || 34 || 34 || 0 || — || — || 7 || 2 || 5 || 0 || 12 || 2000 || 2 || 2 || 12 || 3.3 || 1024 || 0 || — || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 5 || 16 || 16 || 16 || '''ATxmega16A4'''
|-
| '''ATxmega32A4''' || 32 || 44 || 16 || 34 || 34 || 0 || — || — || 7 || 2 || 5 || 0 || 12 || 2000 || 2 || 2 || 12 || 4 || 1024 || 0 || — || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 5 || 16 || 16 || 16 || '''ATxmega32A4'''
|-
| '''ATxmega64A4''' || 64 || 44 || — || 34 || 34 || 0 || — || — || 7 || 2 || 5 || 0 || 12 || 2000 || 2 || 2 || 12 || 4 || 2048 || 0 || — || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 5 || 16 || 16 || 16 || '''ATxmega64A4'''
|-
| '''ATxmega128A4''' || 128 || 44 || — || 34 || 34 || 0 || — || — || 7 || 2 || 5 || 0 || 12 || 2000 || 2 || 2 || 12 || 8 || 2048 || 0 || — || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 5 || 16 || 16 || 16 || '''ATxmega128A4'''
|-
| '''ATxmega256A3B''' || 256 || 64 || 16 || 47 || 49 || 0 || — || — || 8 || 2 || 6 || 0 || 16 || 2000 || 4 || 2 || 12 || 16 || 4096 || 0 || — || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 7 || 22 || 22 || 22 || '''ATxmega256A3B'''
|-
| '''ATxmega256D3''' || 256 || 64 || 16 || 50 || 50 || 0 || — || — || 5 || 2 || 3 || 0 || 16 || 200 || 2 || 0 || 0 || 16 || 4096 || 0 || — || — || 5 || 18 || 18 || 18 || '''ATxmega256D3'''
|-
| '''ATxmega192D3''' || 192 || 64 || 16 || 50 || 50 || 0 || — || — || 5 || 2 || 3 || 0 || 16 || 200 || 2 || 0 || 0 || 16 || 2048 || 0 || — || — || 5 || 18 || 18 || 18 || '''ATxmega192D3'''
|-
| '''ATxmega128D3''' || 128 || 64 || 16 || 50 || 50 || 0 || — || — || 5 || 2 || 3 || 0 || 16 || 200 || 2 || 0 || 0 || 8 || 2048 || 0 || — || — || 5 || 18 || 18 || 18 || '''ATxmega128D3'''
|-
| '''ATxmega64D3''' || 64 || 64 || 16 || 50 || 50 || 0 || — || — || 5 || 2 || 3 || 0 || 16 || 200 || 2 || 0 || 0 || 4 || 2048 || 0 || — || — || 5 || 18 || 18 || 18 || '''ATxmega64D3'''
|-
| '''ATxmega128D4''' || 128 || 44 || — || 34 || 34 || 0 || — || — || 4 || 2 || 2 || 0 || 12 || 200 || 2 || 0 || 0 || 8 || 2048 || 0 || — || — || 4 || 14 || 14 || 14 || '''ATxmega128D4'''
|-
| '''ATxmega64D4''' || 64 || 44 || — || 34 || 34 || 0 || — || — || 4 || 2 || 2 || 0 || 12 || 200 || 2 || 0 || 0 || 4 || 2048 || 0 || — || — || 4 || 14 || 14 || 14 || '''ATxmega64D4'''
|-
| '''ATxmega32D4''' || 32 || 44 || 16 || 34 || 34 || 0 || — || — || 4 || 2 || 2 || 0 || 12 || 200 || 2 || 0 || 0 || 4 || 1024 || 0 || — || — || 4 || 14 || 14 || 14 || '''ATxmega32D4'''
|-
| '''ATxmega16D4''' || 16 || 44 || 16 || 34 || 34 || 0 || — || — || 4 || 2 || 2 || 0 || 12 || 200 || 2 || 0 || 0 || 2 || 1024 || 0 || — || — || 4 || 14 || 14 || 14 || '''ATxmega16D4'''
|-
| '''ATxmega16A4U''' || 16 || 44 || 16 || 34 || 34 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 7 || 2 || 5 || 0 || 12 || 2000 || 2 || 2 || 12 || 3.3 || 1024 || 0 || — || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 5 || 16 || 16 || 16 || '''ATxmega16A4U'''
|-
| '''ATxmega32A4U''' || 32 || 44 || 16 || 34 || 34 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 7 || 2 || 5 || 0 || 12 || 2000 || 2 || 2 || 12 || 4 || 1024 || 0 || — || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 5 || 16 || 16 || 16 || '''ATxmega32A4U'''
|-
| '''ATxmega64A3U''' || 64 || 64 || 16 || 50 || 50 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 10 || 2 || 7 || 0 || 16 || 2000 || 4 || 2 || 12 || 4 || 2048 || 0 || — || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 7 || 22 || 22 || 22 || '''ATxmega64A3U'''
|-
| '''ATxmega128A3U''' || 128 || 64 || 16 || 50 || 50 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 10 || 2 || 7 || 0 || 16 || 2000 || 4 || 2 || 12 || 8 || 2048 || 0 || — || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 7 || 22 || 22 || 22 || '''ATxmega128A3U'''
|-
| '''ATxmega192A3U''' || 192 || 64 || 16 || 50 || 50 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 10 || 2 || 7 || 0 || 16 || 2000 || 4 || 2 || 12 || 16 || 2048 || 0 || — || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 7 || 22 || 22 || 22 || '''ATxmega192A3U'''
|-
| '''ATxmega256A3U''' || 256 || 64 || 16 || 50 || 50 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 10 || 2 || 7 || 0 || 16 || 2000 || 4 || 2 || 12 || 16 || 4096 || 0 || — || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 7 || 22 || 22 || 22 || '''ATxmega256A3U'''
|-
| '''ATxmega256A3BU''' || 256 || 64 || 16 || 47 || 49 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 8 || 2 || 6 || 0 || 16 || 2000 || 4 || 2 || 12 || 16 || 4096 || 0 || — || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 7 || 22 || 22 || 22 || '''ATxmega256A3BU'''
|-
| '''ATxmega64B3''' || 64 || 64 || 16 || 36 || 36 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 2 || 1 || 1 || 100 || 8 || 2000 || 2 || 0 || 0 || 4 || 2048 || 0 || — || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 2 || 6 || 6 || 6 || '''ATxmega64B3'''
|-
| '''ATxmega128B3''' || 128 || 64 || 16 || 36 || 36 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 2 || 1 || 1 || 100 || 8 || 2000 || 2 || 0 || 0 || 4 || 2048 || 0 || — || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 2 || 6 || 6 || 6 || '''ATxmega128B3'''
|-
| '''ATxmega128B1''' || 128 || 100 || 16 || 53 || 53 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 3 || 1 || 2 || 160 || 16 || 2000 || 4 || 0 || 0 || 8 || 2048 || 0 || — || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 3 || 10 || 10 || 10 || '''ATxmega128B1'''
|-
| '''ATxmega64B1''' || 64 || 100 || 16 || 53 || 53 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 3 || 1 || 2 || 160 || 16 || 2000 || 4 || 0 || 0 || 8 || 2048 || 0 || — || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 3 || 10 || 10 || 10 || '''ATxmega64B1'''
|}

{| class="wikitable"
|+ '''General Features'''  
|-
| '''Max. &fnof;CPU [MHz]''' || 32
|-
| '''CPU''' || 8-bit AVR
|-
| '''Hardware Qtouch''' || nein
|-
| '''Quadrature Decoder Kanäle''' || 0
|-
| '''CAN''' || 0
|-
| '''LIN''' || 0
|-
| '''SSC''' || 0
|-
| '''Ethernet''' || 0
|-
| '''SD / eMMC''' || 0
|-
| '''Grafik LCD''' || nein
|-
| '''Video Decoder''' || nein
|-
| '''Kamera Interface''' || nein
|-
| '''ADC Auflösung [bits]''' || 12
|-
| '''Resistive Touch Screen''' || nein
|-
| '''Temp. Sensor''' || ja
|-
| '''Self Program Memory''' || ja
|-
| '''NAND Interface''' || nein
|-
| '''picoPower''' || ja
|-
| '''Temp. Bereich [°C]''' || −40 – 85
|-
| '''I/O Supply Class [V]''' || 1.6 – 3.6
|-
| '''Operating Voltage [VCC]''' || 1.6 – 3.6
|-
| '''FPU''' || nein
|-
| '''MPU / MMU''' || nein / nein
|-
| '''32kHz RTC''' || ja
|-
| '''Calibrated RC Oscillator''' || ja
|}

== Referenzen ==
<references/>

== Weblinks ==

* [http://www.avrfreaks.net/index.php?module=Freaks%20Devices&func=devCompare Vergleichstabelle] von AVRFreaks
* [http://www.atmel.com/dyn/products/param_table.asp?family_id=607&OrderBy=part_no&Direction=ASC#760 Vergleichstabelle aller aktuellen AVR Controller bei Atmel]

[[Kategorie:AVR]]
[[Kategorie:Liste mit Bauteilen]]

AVR Typen

2012-09-28T06:51:05Z

Mfgkw: /* ATmega - Reihe */ atmega328: Anzahl AD-Kanäle korrigiert

== AT90S ==
Die "Basic Line" der Atmel [[AVR]]-Reihe. Sie beinhaltet die ersten [[AVR|AVRs]] die produziert wurden und deren Bezeichnung mit "AT90S" beginnt. Alle Typen wurden mit der Zeit von den beiden Nachfolgereihen ersetzt: ATmega bzw. ATtiny.

Einige neue AVR-Controller tragen eine mit AT90-''ohne S'' beginnende Bezeichnung, haben aber einen "moderneren" Kern. Z.B. sind die Typen AT90PWM2/3 und AT90CAN128 vom Funktionsumfang (interner RC, USART etc.) den ATmegas zuzuordnen.

== ATmega ==
Die ATmega-[[Mikrocontroller]] sind ein Teil der AVR-Controllerfamilie. Zusammen mit den ATtiny lösen die ATmega die AT90S-Serie schrittweise ab, wobei es in den meisten Fällen weitgehend pin- und funktionskompatiblen Ersatz für abgekündigte Controller gibt (ATmega8 statt AT90S4433, ATmega8515 statt AT90S8515 usw.).

Atmel ATmega AVRs werden mit aktiviertem internem Taktgeber ausgeliefert. Schließt man eine andere externe Taktquelle an (Quarz, Quarzoszillator o.ä), wird diese nicht automatisch genutzt. Zum Aktivieren müssen die Fuse-Bits des Controllers entsprechend eingestellt werden (siehe Datenblatt).

ATmegas mit integriertem [[JTAG]]-Interface (z.Zt. solche ab 16kB Flash-Speicher und mehr als 28 Pins) werden ab Werk mit aktiviertem JTAG-Interface ausgeliefert. Dieses Interface belegt vier Port-Pins (z. B. am PORTC bei ATmega16/32), die nicht für eigene Anwendungen genutzt werden können, solange das JTAG-Interface aktiviert ist. Das Interface lässt sich über ein Fuse-Bit (JTAGEN) dauerhaft und über ein Bit (JTD) in dem (oder einem der) MC-Kontroll-Register (Datenblatt nach JTD durchsuchen) per Software zur Laufzeit an- und abschalten. Weiteres im Datenblatt des jeweiligen Controllers in den Abschnitten Memory-Programming (Fuse) und JTAG/ICE (JTD).

Beim ATmega128 ist ab Werk die Mega103-Kompatibilitäts-fuse gesetzt. Um alle Erweiterungen des Mega128 gegenüber dem Mega103 zu nutzen muss diese deaktivert werden. Diese Fuse sorgt außerdem dafür, dass das SRAM in einem anderen Adressbereich liegt. Dadurch funktionieren C-Programme nur bis zum ersten Funktionsaufruf. Siehe auch [[AVR_Checkliste#Besonderheiten_bei_ATmega128_und_seinen_Derivaten_im_64-Pin-Gehäuse | AVR Checkliste: Besonderheiten bei ATmega64 / ATmega128]]

== ATtiny ==

Die ATtiny stellen das untere Ende der neuen AVR Linie von Atmel dar und waren zunächst durch das Fehlen von internem [[RAM#SRAM|SRAM]] gekennzeichnet. Mittlerweile gibt es aber so bemerkenswerte Controller wie den ATtiny4313, deren Möglichkeiten und Funktionen den ATmegas in nichts nachstehen.

Ein weiterer Unterschied zu den ATmegas ist der fehlende Hardwaremultiplizierer. Jede Multiplikation muss also in Software ausgeführt werden. Eine Übersicht über die Verfügbarkeit verschiedener Befehle bietet die [[AVR_Assembler_-_Vergleichstabelle|AVR-Assembler Befehlsvergleichstabelle]].

== ATxmega ==
Neueste Generation von AVR-Controllern mit neuem internen Aufbau, hoher Taktrate (32 MHz), niedriger Spannung (1,6 - 3,6V), vielen Schnittstellen, in 44 - 100 poligen SMD-Gehäusen. Besonderheiten: ADC mit 2 Megasample/12 Bit, vierpoliges Programm- und Debug- Interface PDI (VTref, CLK, DATA, GND) erfordert z.B. einen AVR_JTAGICE-mkII Programmer. PDI (Flash und Debug) funktioniert mit C-Code z.B. mit AVR Studio 4.19.

Leider ist die Xmega-Reihe zu den AVR-Prozessoren der Mega- oder Tiny-Serien nicht kompatibel (viel komplizierter, anderer Aufbau der IO-Baugruppen, der Interrupts, der C-Funktionen etc.). Prozessor-Manuals zeigen weder Assembler noch C-Beispiele für Ansteuerung der IO-Baugruppen. C-Programmbeispiele (geeignet für AVR-Studio) findet man erst in Xmega Application Notes. Einen Überblick gibt [http://www.stromflo.de/dokuwiki/doku.php?id=xmega-c-tutorial Florian Grotz].

== Sonstiges ==

Die AT89-Familie gehört nicht zu den AVR-Typen mit dem AVR-RISC-Befehlssatz, sondern ist eine [[8051|Intel-8051]]-kompatible 8-Bit µC-Serie.

=== Tiny vs Mega ===
Die modernen Typen sind die Tiny und die Mega. Die ATTiny haben kleinere Gehäuse als die ATMega, mit weniger Pins. Dies führt bei ähnlicher Funktionalität wie die Megas zu extremen Mehrfachbelegungen der Pins und auch eher zu Überschneidungen der Pinfunktionalität. Die Tiny sind daher eher für sehr hohe Stückzahlen geeignet, wo die Einsparung über die Stückzahl kommt. Anfänger und Bastler sind mit den ATMega besser bedient, da die weniger Limitationen besitzen.

==Nomenklatur==
===ATmega===
Auch wenn die Namensgebung auf den ersten Blick bedingt durch die vielen verfügbaren Modelle kompliziert aussieht, so folgt sie doch immer (von wenigen Ausnahmen abgesehen) einem einfachen Schema.

Nehmen wir einen aktuellen Baustein als Beispiel: *ATmega48PA-AU*. Der Name besteht aus 5 Teilen:
# Der Baureihe (hier: "ATmega")
# Einer Nummer, immer eine Zweierpotenz (hier: 4). Diese Zahl gibt die Größe des Flashspeichers in Kibibyte an.
# Bis zu zwei weiteren Ziffern (hier: 8). Sie definieren die Zusatzfunktionen sowie Zahl der I/O-Ports.
# Bis zu zwei Buchstaben (hier: PA), die für die Revision sowie spezielle stromsparende Architekturen stehen.
# Einem Bindestrich und zwei weiteren Buchstaben, die die Bauform angeben (hier: AU).

====Baureihe====

Hier gibt es nur zwei Reihen: Den kleinen ATtiny mit reduziertem Funktionsumfang und den großen ATmega.

====Speichergröße====

Während die Größe des Flashspeichers (Programmspeicher) direkt im Namen angegeben ist, ergibt sich die Größe von RAM und EEPROM nur indirekt aus dieser Nummer, wobei natürlich die Bausteine mit großem Flash auch mehr RAM und EEPROM haben als kleinere. Grob gilt diese Zuordnung:

{| class="wikitable"
|-
! Flash (kB) !! EEPROM (B) !! RAM (B)
|-
| 2 || tiny: 128 || tiny: 128
|-
| 4 || tiny: var., mega: 256 || tiny: 256, mega: 512
|-
| 8 || tiny: var., mega: 512 || tiny: 512, mega: 1024
|-
| 16 || 512 || 1024
|-
| 32 || 1024 || 2048
|-
| 64 || 2048*) || 4096*)
|-
| 128 - 256 || 4096 || 4K - 16K
|}
*)Atmega640 verfügt über den doppelten Speicher

====Zusatzfunktionen / Größe====
Die Ziffer(n) nach der Flashgröße geben die Ausstattungsmerkmale des Bausteins an. Die folgende Tabelle gilt für die Atmega-Reihe:
{| class="wikitable"
|-
! Ziffer !! Beschreibung
|-
| - || Keine Ziffer markiert die Bausteine der ersten Generation. Sie verfügen in der Regel über eine niedrigere maximale Taktrate (8/16 MHz anstatt 10/20 MHz), eine höhere Minimal-Spannung (2,7 anstatt 1,8 Volt), weniger Interrupt-Quellen und PWM-Kanäle
|-
| 0 || Reihe von 32 - 256 kB in einem größeren Gehäuse mit höherer Anzahl an I/O-Pins. Etwas älter als die aktuellen Reihen 4 und 8.
|-
| 1 || Kennzeichnet eine verbesserte Version des Atmega128 / 256, aber älter als aktuelle 4er Reihe
|-
| 4 || Reihe von 16 bis 128 kB Flash, alle pinkompatibel in 40-44 poligem Gehäuse. Neueste Baureihe, alle in pico-power-Technologie mit vielen verbesserten Funktionen wie externen Interrupts, Timern, USART...
|-
| 5 || Reihe von 16 bis 64 kB
|-
| 8 || Reihe von 4 bis 32 kB, alle pinkompatibel in 28-32 poligem Gehäuse. Neueste Baureihe, alle in pico-power-Technologie mit vielen verbesserten Funktionen wie externen Interrupts, Timern, USART.... (auch in der Attiny-Reihe vorhanden)
|-
| 9 || Reihe von 16 bis 64 kB mit integriertem Controller für LC-Displays, folglich in großen Gehäusen (64-/100-polig)
|}
Aus dieser Liste stechen einige Bausteine als Außenseiter hervor:
* Atmega8515 / Atmega8535
* Atmega640: Im Prinzip ein Atmega64 mit deutlich mehr Hardware-Ressourcen (4 UARTs, 16 ADC-Kanäle...) und doppelt soviel EEPROM / SRAM.

====Revision / Architektur====
Die (optionalen) Buchstaben vor dem Bindestrich geben Auskunft über den Stromverbrauch und Spannungsbereich
{| class="wikitable"
|-
! Buchstabe !! Beschreibung
|-
| A || Zweite Revision - meist nur eine Umstellung der internen Strukturen ohne Auswirkung für den Benutzer
|-
| L / V || "Low-Voltage": Speziell für niedrigere Taktraten (8 bzw. 10 MHz) sowie niedrigere Eingangsspannungen (1,8 bzw. 2,7V) selektierte Bausteine
|-
| P/PA || "Pico-Power": Reduzierter Stromaufnahme, besonders in tiefen Sleep-Modes (< 1uA); Manche Bausteine (z.B. Mega48) gibt es als P und PA
|}

==== Bauform====
Die beiden Buchstaben nach dem Bindestrich geben Auskunft über die Bauform. Die Zahl der Pins des jeweiligen Gehäusetyps hängt vom Baustein ab.
{| class="wikitable"
|-
! Buchstaben !! Beschreibung
|-
| A || TQFP-Gehäuse
|-
| C || BGA-Gehäuse
|-
| I || Bleihaltig - nicht mehr erhältlich
|-
| J || PLCC-Gehäuse
|-
| M || (V)QFN- / MLF- Gehäuse
|-
| P || DIP-Gehäuse (bastlerfreundlich!)
|-
| S || SOIC-Gehäuse
|-
| U || Bleifrei, RoHS-kompatibel
|-
| X || TSSOP-Gehäuse
|}

===ATtiny===
Bei den ATtiny-Bausteinen ist die Nummerierung deutlich unübersichtlicher als in der ATmega-Reihe. Die erste Ziffer gibt wie auch bei ATmega die Größe des Flash-Speichers an. Die obenstehenden Tabellen für Baureihe, Bauform, Revision und Speichergröße gelten ebenfalls (Ausnahmen: ATtiny5 mit 0,5 Kilobytes Flash sowie ATtiny4 und ATtiny9 mit 0,5 bzw. 1 kB Flash). Die Zusatzfunktionen und Baugröße sind aber nicht deutlich

== Vergleichstabelle(n) / Ausstattung ==
=== AT90S - Reihe ===
{| class="wikitable sortable" style="font-size:10px;" id="AVR_Features_AT90S"
|-
!Typ||Flash (Kbytes)||EEPROM (Bytes)||SRAM (Bytes)||Max I/O Pins||F.max (MHz)||Vcc (V)||Analog Comparator||16-bit Timer||8-bit Timer||Brown Out Detector||On Chip Oscillator||PWM Channels||RTC||Self Program Memory||Boot Code||SPI||TWI (I2C)||UART||Watchdog||Bauform
|- 
|[http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc0839.pdf AT90S2313]<ref>veraltet → ATtiny2313</ref>
|2
|128
|128
|15
|10
|2.7-6.0
|Ja
|1
|1
|Nein
|Nein
|1
|Nein
|Nein
|Nein
|Ja
|Nein
|Ja
|Ja
|PDIP20 SOIC20
|- 
|[http://www.atmel.com/atmel/acrobat/doc1004.pdf AT90S2323]<ref>veraltet → ATtiny25/45/85</ref>
|2
|128
|128
|3
|10
|2.7-6.0
|Nein
|0
|1
|Nein
|Nein
|0
|Nein
|Nein
|Nein
|Ja
|Nein
|Nein
|Ja
|PDIP8 SOIC8
|- 
|[http://www.atmel.com/atmel/acrobat/doc1004.pdf AT90S2343]<ref>veraltet → ATtiny25/45/85</ref>
|2
|128
|128
|5
|10
|2.7-6.0
|Nein
|0
|1
|Nein
|Ja
|0
|Nein
|Nein
|Nein
|Ja
|Nein
|Nein
|Ja
|PDIP8 SOIC8
|- 
|[http://www.atmel.com/atmel/acrobat/doc0841.pdf AT90S8515]<ref>veraltet → ATmega16/162/32/644</ref>
|8
|512
|512
|32
|8
|2.7-6.0
|Ja
|1
|1
|Nein
|Nein
|1 (16-Bit)
|Nein
|Nein
|Nein
|Ja
|Nein
|Ja
|Ja
|PDIP40 PLCC44 TQFP44


|}

=== ATtiny - Reihe ===
{| class="wikitable sortable" style="font-size:10px;" id="AVR_Features_ATtiny"
|-
!Typ||Flash (Kbytes)||EEPROM (Bytes)||SRAM (Bytes)||Max I/O Pins||F.max (MHz)||Vcc (V)||A/D Channels||Analog Comparator||16-bit Timer||8-bit Timer||Brown Out Detector||On Chip Oscillator||PWM Channels||RTC||Self Program Memory||Boot Code||SPI||TWI (I2C)||UART||Watchdog||Bauform(en)||Preis<ref name="preis"/>
|-
|[http://www.atmel.com/Images/doc8127.pdf ATtiny10]
|1
| --
|32
|4
|12
|1.8-5.5
|4 8-bit
|Ja
|1
| --
|Nein
|Ja
|2
|Nein
|Nein
|Nein
|Ja
|Nein
|Nein
|Ja
|SOT23
| 0.83-0.99
|-
|[http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc1006.pdf ATtiny11]
|1
| --
| --
|6
|6
|2.7-5.5
| --
|Ja
| --
|1
|Nein
|Nein
| --
|Nein
|Nein
|Nein
|Nein
|Nein
|Nein
|Ja
|PDIP8 SOIC8
| 0.58-0.87
|-
|[http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc1006.pdf ATtiny12]
|1
|64
| --
|6
|8
|1.8-5.5
| --
|Ja
| --
|1
|Ja
|Ja
| --
|Nein
|Nein
|Nein
|Ja
|Nein
|Nein
|Ja
|PDIP8 SOIC8
| 1.00-1.20
|-
|[http://www.atmel.com/Images/doc8126.pdf ATtiny13A]
|1
|64
|64
|6
|20
|1.8-5.5
|4 10bit
|Ja
| --
|1
|Ja
|Ja
|1<ref>Timer-PWM</ref>
|Nein
|Ja
|Ja
|Ja
|Nein
|Nein
|Ja
|PDIP8 SOIC8
| 0.70-1.20
|-
|[http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc1187.pdf ATtiny15]
|1
|64
| --
|6
|1.6
|2.7-5.5
|4 10bit
|Ja
| --
|2
|Ja
|ONLY
|1<ref>150kHz 8bit</ref>
|Nein
|Nein
|Nein
|Ja
|Nein
|Nein
|Ja
|PDIP8 SOIC8
| 1.15
|-
|[http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2586.pdf ATtiny85]
|8
|512
|512
|6
|20
|1.8-5.5
|4
|Ja
| --
|2
|Ja
|Ja
|4
|Nein
|Ja
|Nein
|Ja
|Nein
|Nein
|Ja
|PDIP8 SOIC8
| 1.30-2.00
|-
|[http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2543.pdf ATtiny2313]
|2
|128
|128
|18
|20
|2.7-5.5
| --
|Ja
|1
|1
|Ja
|Ja
|4
|Nein
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="usip">+USI</ref>
|Ja<ref name="usi">USI</ref>
|Ja<ref name="usart">USART</ref>
|Ja
|PDIP20 SOIC20 QFN20 MLF20
| 1.30
|-
|[http://www.atmel.com/Images/doc8246.pdf ATtiny4313]
|4
|256
|256
|18
|20
|1.8-5.5
| --
|Ja
|1
|1
|Ja
|Ja
|4
|Nein
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="usip">+USI</ref>
|Ja<ref name="usi">USI</ref>
|Ja<ref name="usart">USART</ref>
|Ja
|PDIP20 SOIC20 QFN20 MLF20
| 1.00-2.00
|-
|[http://atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc8006.pdf ATtiny24]
|2
|128
|128
|12
|20
|2.7-5.5
|8 10bit
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja
|4
|Nein
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="usip">+USI</ref>
|Ja<ref name="usi">USI</ref>
|Nein
|Ja
|PDIP14 SOIC14 QFN20/MLF20
|1.45
|-
|[http://www.atmel.com/Images/doc8183.pdf ATtiny84A]
|8
|512
|512
|12
|20
|1.8-5.5
|8 10bit
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja
|4
|Nein
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="usip">+USI</ref>
|Ja<ref name="usi">USI</ref>
|Nein
|Ja
|PDIP14 SOIC14 QFN20/MLF20
|1,00-4,00
|-
|[http://atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2588.pdf ATtiny261]
|2
|128
|128
|16
|20
|1,8-5,5
|11
|1
|1
|1
|Ja
|Ja
|2
|Nein
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="usip">+USI</ref>
|Ja<ref name="usi">USI</ref>
|Nein
|Ja
|PDIP20 SOIC20 MLF20 (TSSOP20 bei Tiny261A)
|1,15
|}

=== ATmega - Reihe ===
{| class="wikitable sortable" style="font-size: 10px;" id="AVR_Features_ATMega"
|-
!Typ||Flash (Kbytes)||EEPROM (Bytes)||SRAM (Bytes)||Max I/O Pins||F.max (MHz)||Vcc (V)||A/D Channels||Analog Comparator||16-bit Timer||8-bit Timer||Brown Out Detector||On Chip Oscillator||PWM Channels||RTC||Self Program Memory||Boot Code||SPI||TWI (I2C)||UART||Watchdog||Bauform||Preis<ref name="preis"/>
|-
|[http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/2486S.pdf ATmega8]
|8
|512
|1K
|23
|16
|2.7-5.5
|6 10bit PDIP 8 10bit TQFP QFN/MLF
|Ja
|1
|2
|Ja
|Ja
|3
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja USART
|Ja
|PDIP28 TQFP32 QFN/MLF32
| 2.25-4.00
|-
|[http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2466.pdf ATmega16]
|16
|512
|1K
|32
|16
|2.7-5.5
|8 10bit
|Ja
|1
|2
|Ja
|Ja
|4
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="ms">Master/Slave</ref>
|Ja
|1<ref name="usart">USART</ref>
|Ja
|PDIP40 TQFP44 QFN/MLF44
| 2.60-2.85
|-
|[http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2513.pdf ATmega162]
|16
|512
|1K
|35
|16
|2.7-5.5
|Keine
|Ja
|2
|2
|Ja
|Ja
|6
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="ms">Master/Slave</ref>
|Nein
|2<ref name="usart">USART</ref>
|Ja
|PDIP40 TQFP44 QFN/MLF44
| 2.70-3.80
|-
|[http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2503.pdf ATmega32]
|32
|1K
|2K
|32
|16
|2.7-5.5
|8 10bit
|Ja
|1
|2
|Ja
|Ja
|4
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="ms">Master/Slave</ref>
|Ja
|1<ref name="usart">USART</ref>
|Ja
|PDIP40 TQFP44 QFN/MLF44
| 3.20-4.60
|-
|[http://www.atmel.com/Images/doc8271.pdf ATmega328]
|32
|1K
|2K
|32
|20
|1.8-5.5
|6 10bit PDIP 8 10bit TQFP QFN/MLF
|Ja
|1
|2
|Ja
|Ja
|6
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="ms">Master/Slave</ref>
|Ja
|1<ref name="usart">USART</ref>
|Ja
|PDIP28 TQFP32 QFN/MLF32
| 2.00-4.50
|-
|[http://www.atmel.com/Images/doc8272.pdf ATmega324A]
|32
|1K
|2K
|32
|20
|1.8-5.5
|8 10bit
|Ja
|1
|2
|Ja
|Ja
|6
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="ms">Master/Slave</ref>
|Ja
|2
|Ja
|PDIP40 TQFP44 VQFN44 QFN/MLF44 DRQFN44 VFBGA49
| 3.50-4.50
|-
|[http://www.atmel.com/atmel/acrobat/doc2490.pdf ATmega64]<ref>Geliefert im ATmega103-Modus. Fuse ändern!</ref>
|64
|2K
|4K
|53
|16
|2.7-5.5
|8 10bit
|Ja
|2
|2
|Ja
|Ja
|2 8bit, 6 2-16bit
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="ms">Master/Slave</ref>
|Ja
|1<ref name="usart">USART</ref>
|Ja
| TQFP64 QFN/MLF64
| 7.50-9.50
|-
|[http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2593.pdf ATmega644]
|64
|2K
|4K
|32
|20
|1.8-5.5
|8 10bit
|Ja
|1
|2
|Ja
|Ja
|6
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="ms">Master/Slave</ref>
|Ja
|1<ref name="usart">USART</ref> 2<ref>beim 644P</ref>
|Ja
|PDIP40 TQFP44 QFN/MLF44
| 6.80-7.50
|-
|[http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2467.pdf ATmega128]
|128
|4K
|4K
|53
|16
|2.7-5.5
|8 10bit
|Ja
|2
|2
|Ja
|Ja
|2 8bit 6 2-16bit
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="ms">Master/Slave</ref>
|Ja
|2<ref name="usart">USART</ref>
|Ja
|TQFP64 QFN/MLF64
|8.05-8.40
|-
|[http://www.atmel.com/dyn/products/product_card.asp?part_id=4331 ATmega1284P]
|128
|4K
|16K
|32
|20
|1.8-5.5
|8 10bit
|Ja
|2
|2
|Ja
|Ja
|6
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="ms">Master/Slave</ref>
|Ja
|2<ref name="usart">USART</ref>
|Ja
|PDIP40 TQFP44 QFN/MLF44
|5.50-7.00
|-
|[http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2549.pdf ATmega2560]
|256
|4K
|8K
|86
|16
|2.7-5.5
|16 10bit
|Ja
|4
|2
|Ja
|Ja
|16
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="ms">Master/Slave</ref>
|Ja
|4<ref name="usart">USART</ref>
|Ja
|TQFP100
|8.00-15.00
|-
|[http://www.atmel.com/atmel/acrobat/doc2512.pdf ATmega8515]
|8
|512
|512
|35
|16
|2.7-5.5
|Keine
|Ja
|1
|1
|Ja
|Ja
|1 8-bit, 1 16-bit
|Nein
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="ms">Master/Slave</ref>
|Nein
|1<ref name="usart">USART</ref>
|Ja
|PDIP20 TQFP44 PLCC44 QFN/MLF44
|3.20-3.90
|-
|[http://www.atmel.com/atmel/acrobat/doc2502.pdf ATmega8535]
|8
|512
|512
|32
|16
|2.7-5.5
|8 10bit
|Ja
|1
|2
|Ja
|Ja
|2 8-bit, 2 16-bit
|Ja
|Ja
|Ja
|Ja<ref name="ms">Master/Slave</ref>
|Ja
|1<ref name="usart">USART</ref>
|Ja
|PDIP44 PLCC44 QFN/MLF44
|3.15-3.75



|}

Hinweis: Die angegebenen Preise sind Richtwerte. Es empfiehlt sich die Verwendung einer Preissuchmaschine, z.B. [http://www.google.de/shopping google.de/shopping].

=== ATXMega - Reihe ===
{| class="wikitable sortable" style="font-size: 10px;" id="AVR_Features_ATXMega"
|-
!Typ||Flash (Kbytes)||EEPROM (KBytes)||SRAM (KBytes)||Boot (Kbytes)||Max I/O Pins||F.max (MHz)||Vcc (V)||ADC||DAC||PWM Channels||16-Bit Timer||SPI||TWI (I2C)||UART||Bauformen
|-
|ATxmega16a4
|16
|1
|2
|4
|34
|32
|1,6 - 3,6
|12-CH @ 12-Bit
|2-CH @ 12-Bit
|16
|5
|2
|2
|5
|TQFP44
|-
|ATxmega32a4
|32
|1
|4
|4
|34
|32
|1,6 - 3,6
|12-CH @ 12-Bit
|2-CH @ 12-Bit
|16
|5
|2
|2
|5
|TQFP44
|-
|ATxmega64a4
|64
|2
|4
|4
|34
|32
|1,6 - 3,6
|12-CH @ 12-Bit
|2-CH @ 12-Bit
|16
|5
|2
|2
|5
|TQFP44
|-
|ATxmega128a4
|128
|2
|8
|8
|34
|32
|1,6 - 3,6
|12-CH @ 12-Bit
|2-CH @ 12-Bit
|16
|5
|2
|2
|5
|TQFP44
|-
|ATxmega64a3
|64
|2
|4
|4
|50
|32
|1,6 - 3,6
|2x 8-CH @ 12-Bit
|2-CH @ 12-Bit
|22
|7
|3
|2
|7
|TQFP64
|-
|ATxmega128a3
|128
|2
|8
|8
|50
|32
|1,6 - 3,6
|2x 8-CH @ 12-Bit
|2-CH @ 12-Bit
|22
|7
|3
|2
|7
|TQFP64
|-
|ATxmega192a3
|192
|2
|16
|8
|50
|32
|1,6 - 3,6
|2x 8-CH @ 12-Bit
|2-CH @ 12-Bit
|22
|7
|3
|2
|7
|TQFP64
|-
|ATxmega256a3
|256
|4
|16
|8
|50
|32
|1,6 - 3,6
|2x 8-CH @ 12-Bit
|2-CH @ 12-Bit
|22
|7
|3
|2
|7
|TQFP64
|-
|ATxmega64a1
|64
|2
|4
|4
|78
|32
|1,6 - 3,6
|2x 8-CH @ 12-Bit
|2x 2-CH @ 12-Bit
|24
|8
|4
|4
|8
|TQFP100
|-
|ATxmega128a1
|128
|2
|8
|8
|78
|32
|1,6 - 3,6
|2x 8-CH @ 12-Bit
|2x 2-CH @ 12-Bit
|24
|8
|4
|4
|8
|TQFP100
|-
|ATxmega192a1
|192
|2
|16
|8
|78
|32
|1,6 - 3,6
|2x 8-CH @ 12-Bit
|2x 2-CH @ 12-Bit
|24
|8
|4
|4
|8
|TQFP100
|-
|ATxmega256a1
|256
|4
|16
|8
|78
|32
|1,6 - 3,6
|2x 8-CH @ 12-Bit
|2x 2-CH @ 12-Bit
|24
|8
|4
|4
|8
|TQFP100
|-
|ATxmega384a1
|384
|4
|32
|8
|78
|32
|1,6 - 3,6
|2x 8-CH @ 12-Bit
|2x 2-CH @ 12-Bit
|24
|8
|4
|4
|8
|TQFP100
|-
|ATxmega16d4
|16
|1
|2
|4
|34
|32
|1,6 - 3,6
|12-CH @ 12-Bit
|0
|16
|4
|2
|2
|2
|TQFP44
|-
|ATxmega32d4
|32
|1
|4
|4
|34
|32
|1,6 - 3,6
|12-CH @ 12-Bit
|0
|16
|4
|2
|2
|2
|TQFP44
|-
|ATxmega64d4
|64
|2
|4
|4
|34
|32
|1,6 - 3,6
|12-CH @ 12-Bit
|0
|16
|4
|2
|2
|2
|TQFP44
|-
|ATxmega128d4
|128
|2
|8
|8
|34
|32
|1,6 - 3,6
|12-CH @ 12-Bit
|0
|16
|4
|2
|2
|2
|TQFP44
|-
|ATxmega64d3
|64
|2
|4
|4
|50
|32
|1,6 - 3,6
|16-CH @ 12-Bit
|0
|18
|5
|2
|2
|3
|TQFP64
|-
|ATxmega128d3
|128
|2
|8
|8
|50
|32
|1,6 - 3,6
|16-CH @ 12-Bit
|0
|18
|5
|2
|2
|3
|TQFP64
|-
|ATxmega192d3
|192
|2
|16
|8
|50
|32
|1,6 - 3,6
|16-CH @ 12-Bit
|0
|18
|5
|2
|2
|3
|TQFP64
|-
|ATxmega256d3
|256
|4
|16
|8
|50
|32
|1,6 - 3,6
|16-CH @ 12-Bit
|0
|18
|5
|2
|2
|3
|TQFP64
|}

== Weitere Vergleichstabellen ==
Vergleichstabellen zum Downloaden gibt es unter Anderem
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/242328 von Andreas], Stand 19.12.2011; vollständig,
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/232939 von Sven], Stand 22.09.2011; weiter eingedampft.

=== ATtiny ===

{| class="wikitable"
|+ '''Device-specific Features'''  
|- valign="top"
! Device
! Flash [KiB]
! Pin Anzahl
! Max. &fnof;CPU [MHz]
! of Touch Kanäle
! Hardware Qtouch
! Max I/O Pins
! Ext Interrupts
! SPI
! TWI
! UART
! LIN
! ADC Kanäle
! ADC Auflösung [bits]
! ADC Speed [ksps]
! Temp. Sensor
! SRAM [KiB]
! EEPROM [Bytes]
! Self Program Memory
! picoPower
! Temp. Bereich [°C]
! I/O Supply Class [V]
! Operating Voltage [VCC]
! Timers
! Output Compare Kanäle
! Input Capture Kanäle
! PWM Kanäle
! 32kHz RTC
! Device
|-
| '''ATtiny28L''' || 2 || 28 || 4 || — || — || 11 || 10 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || — || 0.03 || 0 || — || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 1 || 0 || 0 || 0 || — || '''ATtiny28L'''
|-
| '''ATtiny26''' || 2 || 20 || 16 || — || — || 16 || 11 || 1 || 1 || 0 || 0 || 11 || 10 || 15 || — || 0.12 || 128 || — || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 2 || 3 || 0 || 4 || — || '''ATtiny26'''
|-
| '''ATtiny13''' || 1 || 8 || 20 || — || — || 6 || 6 || 0 || 0 || 0 || 0 || 4 || 10 || 15 || — || 0.06 || 64 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 1 || 2 || 0 || 2 || — || '''ATtiny13'''
|-
| '''ATtiny2313''' || 2 || 20 || 20 || 4 || — || 18 || 18 || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 15 || — || 0.12 || 128 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 4 || 1 || 4 || — || '''ATtiny2313'''
|-
| '''ATtiny25''' || 2 || 8 || 20 || 4 || — || 6 || 6 || 1 || 1 || 0 || 0 || 4 || 10 || 15 || √ || 0.12 || 128 || √ || — || −40 – 105 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 5 || 0 || 6 || — || '''ATtiny25'''
|-
| '''ATtiny85''' || 8 || 8 || 20 || 3 || — || 6 || 6 || 1 || 1 || 0 || 0 || 4 || 10 || 15 || √ || 0.5 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 5 || 0 || 6 || — || '''ATtiny85'''
|-
| '''ATtiny45''' || 4 || 8 || 20 || 3 || — || 6 || 6 || 1 || 1 || 0 || 0 || 4 || 10 || 15 || √ || 0.25 || 256 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 5 || 0 || 6 || — || '''ATtiny45'''
|-
| '''ATtiny24''' || 2 || 14 || 20 || 4 || — || 12 || 12 || 1 || 1 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || √ || 0.12 || 128 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 4 || 1 || 4 || — || '''ATtiny24'''
|-
| '''ATtiny44''' || 4 || 14 || 20 || 6 || — || 12 || 12 || 1 || 1 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || √ || 0.25 || 256 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 4 || 1 || 4 || — || '''ATtiny44'''
|-
| '''ATtiny84''' || 8 || 14 || 20 || 6 || — || 12 || 12 || 1 || 1 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || √ || 0.5 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 4 || 1 || 4 || — || '''ATtiny84'''
|-
| '''ATtiny261''' || 2 || 20 || 20 || 4 || — || 16 || 16 || 1 || 1 || 0 || 0 || 11 || 10 || 15 || √ || 0.12 || 128 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 6 || 1 || 6 || — || '''ATtiny261'''
|-
| '''ATtiny461''' || 4 || 20 || 20 || 8 || — || 16 || 16 || 1 || 1 || 0 || 0 || 11 || 10 || 15 || √ || 0.25 || 256 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 6 || 1 || 6 || — || '''ATtiny461'''
|-
| '''ATtiny861''' || 8 || 20 || 20 || 8 || — || 16 || 16 || 1 || 1 || 0 || 0 || 11 || 10 || 15 || √ || 0.5 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 6 || 1 || 6 || — || '''ATtiny861'''
|-
| '''ATtiny13A''' || 1 || 8 || 20 || — || — || 6 || 6 || 0 || 0 || 0 || 0 || 4 || 10 || 15 || — || 0.06 || 64 || √ || √ || −40 – 125 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 1 || 2 || 0 || 2 || — || '''ATtiny13A'''
|-
| '''ATtiny48''' || 4 || 32 || 12 || 12 || — || 28 || 28 || 1 || 1 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || √ || 0.25 || 64 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 4 || 1 || 2 || — || '''ATtiny48'''
|-
| '''ATtiny88''' || 8 || 32 || 12 || 12 || — || 28 || 28 || 1 || 1 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || √ || 0.5 || 64 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 4 || 1 || 2 || — || '''ATtiny88'''
|-
| '''ATtiny24A''' || 2 || 14 || 20 || 4 || — || 12 || 12 || 1 || 1 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || √ || 0.12 || 128 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 4 || 1 || 4 || — || '''ATtiny24A'''
|-
| '''ATtiny44A''' || 4 || 14 || 20 || 6 || — || 12 || 12 || 1 || 1 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || √ || 0.25 || 256 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 4 || 1 || 4 || — || '''ATtiny44A'''
|-
| '''ATtiny43U''' || 4 || 20 || 8 || 8 || — || 16 || 16 || 1 || 1 || 0 || 0 || 4 || 10 || 15 || √ || 0.25 || 64 || √ || √ || −40 – 85 || 0.7 – 5.5 || 0.7 – 5.5 || 2 || 4 || 0 || 4 || — || '''ATtiny43U'''
|-
| '''ATtiny10''' || 1 || 6 || 12 || 1 || — || 4 || 4 || 0 || 0 || 0 || 0 || 4 || 8 || 15 || — || 0.03 || 0 || — || — || −40 – 125 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 1 || 2 || 1 || 2 || — || '''ATtiny10'''
|-
| '''ATtiny4''' || 0.5 || 6 || 12 || 1 || — || 4 || 4 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || — || 0.03 || 0 || — || — || −40 – 125 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 1 || 2 || 1 || 2 || — || '''ATtiny4'''
|-
| '''ATtiny5''' || 0.5 || 6 || 12 || 1 || — || 4 || 4 || 0 || 0 || 0 || 0 || 4 || 8 || 15 || — || 0.03 || 0 || — || — || −40 – 125 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 1 || 2 || 1 || 2 || — || '''ATtiny5'''
|-
| '''ATtiny9''' || 1 || 6 || 12 || 1 || — || 4 || 4 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || — || 0.03 || 0 || — || — || −40 – 125 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 1 || 2 || 1 || 2 || — || '''ATtiny9'''
|-
| '''ATtiny261A''' || 2 || 20 || 20 || 4 || — || 16 || 16 || 1 || 1 || 0 || 0 || 11 || 10 || 15 || √ || 0.12 || 128 || √ || √ || −40 – 105 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 6 || 1 || 6 || — || '''ATtiny261A'''
|-
| '''ATtiny461A''' || 4 || 20 || 20 || 8 || — || 16 || 16 || 1 || 1 || 0 || 0 || 11 || 10 || 15 || √ || 0.25 || 256 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 6 || 1 || 6 || — || '''ATtiny461A'''
|-
| '''ATtiny861A''' || 8 || 20 || 20 || 8 || — || 16 || 16 || 1 || 1 || 0 || 0 || 11 || 10 || 15 || √ || 0.5 || 512 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 6 || 1 || 6 || — || '''ATtiny861A'''
|-
| '''ATtiny2313A''' || 2 || 20 || 20 || — || — || 18 || 18 || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 15 || — || 0.12 || 128 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 4 || 1 || 4 || — || '''ATtiny2313A'''
|-
| '''ATtiny4313''' || 4 || 20 || 20 || — || — || 18 || 18 || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 15 || — || 0.25 || 256 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 4 || 1 || 4 || — || '''ATtiny4313'''
|-
| '''ATtiny167''' || 16 || 20 || 16 || 8 || — || 16 || 16 || 2 || 1 || 1 || 1 || 11 || 10 || 15 || √ || 0.5 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 3 || 1 || 9 || √ || '''ATtiny167'''
|-
| '''ATtiny87''' || 8 || 20 || 16 || — || — || 16 || 16 || 2 || 1 || 1 || 1 || 11 || 10 || 15 || √ || 0.5 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 3 || 1 || 9 || √ || '''ATtiny87'''
|-
| '''ATtiny20''' || 2 || 14 || 12 || 5 || √ || 12 || 12 || 1 || 1 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || √ || 0.12 || 0 || — || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 4 || 1 || 3 || — || '''ATtiny20'''
|-
| '''ATtiny40''' || 4 || 20 || 12 || 12 || √ || 18 || 18 || 1 || 1 || 0 || 0 || 12 || 10 || 15 || √ || 0.25 || 0 || — || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 4 || 1 || 2 || — || '''ATtiny40'''
|-
| '''ATtiny84A''' || 8 || 14 || 20 || 6 || — || 12 || 12 || 1 || 1 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || √ || 0.5 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 2 || 4 || 1 || 4 || — || '''ATtiny84A'''
|}

{| class="wikitable"
|+ '''General Features'''  
|-
| '''CPU''' || 8-bit AVR
|-
| '''Quadrature Decoder Kanäle''' || 0
|-
| '''USB Transceiver''' || 0
|-
| '''USB Speed''' || nein
|-
| '''USB Interface''' || nein
|-
| '''CAN''' || 0
|-
| '''SSC''' || 0
|-
| '''Ethernet''' || 0
|-
| '''SD / eMMC''' || 0
|-
| '''Segment LCD''' || 0
|-
| '''Grafik LCD''' || nein
|-
| '''Video Decoder''' || nein
|-
| '''Kamera Interface''' || nein
|-
| '''Analog Comparators''' || 1
|-
| '''Resistive Touch Screen''' || nein
|-
| '''DAC Kanäle''' || 0
|-
| '''DAC Auflösung [bits]''' || 0
|-
| '''External Bus Interface''' || 0
|-
| '''DRAM Memory''' || nein
|-
| '''NAND Interface''' || nein
|-
| '''FPU''' || nein
|-
| '''MPU / MMU''' || nein / nein
|-
| '''Crypto Engine''' || nein
|-
| '''Calibrated RC Oscillator''' || ja
|}

=== ATmega ===

{| class="wikitable"
|+ '''Device-specific Features'''  
|- valign="top"
! Device
! Flash [KiB]
! Pin Anzahl
! Max. &fnof;CPU [MHz]
! of Touch Kanäle
! Max I/O Pins
! Ext Interrupts
! USB Transceiver
! USB Speed
! USB Interface
! SPI
! TWI
! UART
! CAN
! LIN
! Segment LCD
! ADC Kanäle
! ADC Auflösung [bits]
! ADC Speed [ksps]
! Analog Comparators
! DAC Kanäle
! DAC Auflösung [bits]
! Temp. Sensor
! SRAM [KiB]
! EEPROM [Bytes]
! Self Program Memory
! picoPower
! Temp. Bereich [°C]
! I/O Supply Class [V]
! Operating Voltage [VCC]
! Timers
! Output Compare Kanäle
! Input Capture Kanäle
! PWM Kanäle
! 32kHz RTC
! Device
|-
| '''ATmega8''' || 8 || 32 || 16 || 12 || 23 || 2 || 0 || — || — || 1 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 1 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 3 || 3 || 1 || 3 || √ || '''ATmega8'''
|-
| '''ATmega8515''' || 8 || 44 || 16 || 16 || 35 || 3 || 0 || — || — || 1 || 0 || 1 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || — || 0.5 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 2 || 3 || 1 || 3 || — || '''ATmega8515'''
|-
| '''ATmega8535''' || 8 || 44 || 16 || 16 || 32 || 3 || 0 || — || — || 1 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 0.5 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega8535'''
|-
| '''ATmega16''' || 16 || 44 || 16 || 16 || 32 || 3 || 0 || — || — || 1 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 1 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega16'''
|-
| '''ATmega32''' || 32 || 44 || 16 || 16 || 32 || 3 || 0 || — || — || 1 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega32'''
|-
| '''ATmega64''' || 64 || 64 || 16 || 16 || 53 || 8 || 0 || — || — || 1 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 4 || 8 || 2 || 7 || √ || '''ATmega64'''
|-
| '''ATmega128''' || 128 || 64 || 16 || 16 || 53 || 8 || 0 || — || — || 1 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 4096 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 4 || 8 || 2 || 7 || √ || '''ATmega128'''
|-
| '''ATmega162''' || 16 || 44 || 16 || 16 || 35 || 3 || 0 || — || — || 1 || 0 || 2 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 1 || 0 || 0 || — || 1 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 4 || 6 || 2 || 6 || √ || '''ATmega162'''
|-
| '''ATmega48''' || 4 || 32 || 20 || 12 || 23 || 24 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 0.5 || 256 || — || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega48'''
|-
| '''ATmega88''' || 8 || 32 || 20 || 12 || 23 || 24 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 1 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega88'''
|-
| '''ATmega168''' || 16 || 32 || 20 || 16 || 23 || 24 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 1 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega168'''
|-
| '''AT90CAN128''' || 128 || 64 || 16 || 16 || 53 || 8 || 0 || — || — || 1 || 1 || 2 || 1 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 4096 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 4 || 8 || 2 || 7 || √ || '''AT90CAN128'''
|-
| '''ATmega325''' || 32 || 64 || 16 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega325'''
|-
| '''ATmega3250''' || 32 || 100 || 16 || 16 || 69 || 25 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega3250'''
|-
| '''ATmega6450''' || 64 || 100 || 16 || — || 69 || 25 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega6450'''
|-
| '''ATmega645''' || 64 || 64 || 16 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega645'''
|-
| '''ATmega329''' || 32 || 64 || 16 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 100 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega329'''
|-
| '''ATmega3290''' || 32 || 100 || 16 || 16 || 69 || 32 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 160 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega3290'''
|-
| '''ATmega649''' || 64 || 64 || 16 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 100 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega649'''
|-
| '''ATmega6490''' || 64 || 100 || 16 || 16 || 69 || 32 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 160 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega6490'''
|-
| '''ATmega640''' || 64 || 100 || 16 || 16 || 86 || 32 || 0 || — || — || 5 || 1 || 4 || 0 || 0 || 0 || 16 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 8 || 4096 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 6 || 16 || 4 || 15 || √ || '''ATmega640'''
|-
| '''ATmega1281''' || 128 || 64 || 16 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 3 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 8 || 4096 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 6 || 16 || 2 || 8 || √ || '''ATmega1281'''
|-
| '''ATmega2561''' || 256 || 64 || 16 || — || 54 || 17 || 0 || — || — || 3 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 8 || 4096 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 6 || 16 || 2 || 8 || √ || '''ATmega2561'''
|-
| '''ATmega2560''' || 256 || 100 || 16 || — || 86 || 32 || 0 || — || — || 5 || 1 || 4 || 0 || 0 || 0 || 16 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 8 || 4096 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 6 || 16 || 4 || 15 || √ || '''ATmega2560'''
|-
| '''ATmega1280''' || 128 || 100 || 16 || 16 || 86 || 32 || 0 || — || — || 5 || 1 || 4 || 0 || 0 || 0 || 16 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 8 || 4096 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 6 || 16 || 4 || 15 || √ || '''ATmega1280'''
|-
| '''ATmega644''' || 64 || 44 || 20 || 16 || 32 || 32 || 0 || — || — || 3 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega644'''
|-
| '''AT90CAN32''' || 32 || 64 || 16 || 16 || 53 || 8 || 0 || — || — || 1 || 1 || 2 || 1 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 4 || 8 || 2 || 7 || √ || '''AT90CAN32'''
|-
| '''AT90CAN64''' || 64 || 64 || 16 || 16 || 53 || 8 || 0 || — || — || 1 || 1 || 2 || 1 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 4 || 8 || 2 || 7 || √ || '''AT90CAN64'''
|-
| '''AT90USB1286''' || 128 || 64 || 16 || 16 || 48 || 16 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 8 || 4096 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 4 || 10 || 1 || 9 || √ || '''AT90USB1286'''
|-
| '''AT90USB1287''' || 128 || 64 || 16 || 16 || 48 || 16 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbo">Device + OTG</ref> || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 8 || 4096 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 4 || 10 || 1 || 9 || √ || '''AT90USB1287'''
|-
| '''AT90USB647''' || 64 || 64 || 16 || 16 || 48 || 16 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbo">Device + OTG</ref> || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 4 || 10 || 1 || 9 || √ || '''AT90USB647'''
|-
| '''AT90USB646''' || 64 || 64 || 16 || 16 || 48 || 16 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 4 || 10 || 1 || 9 || √ || '''AT90USB646'''
|-
| '''ATmega164P''' || 16 || 44 || 20 || 16 || 32 || 32 || 0 || — || — || 3 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 1 || 512 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega164P'''
|-
| '''ATmega324P''' || 32 || 44 || 20 || 16 || 32 || 32 || 0 || — || — || 3 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega324P'''
|-
| '''ATmega165P''' || 16 || 64 || 16 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 1 || 512 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega165P'''
|-
| '''ATmega169P''' || 16 || 64 || 16 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 100 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 1 || 512 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega169P'''
|-
| '''ATmega644P''' || 64 || 44 || 20 || 16 || 32 || 32 || 0 || — || — || 3 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega644P'''
|-
| '''AT90PWM1''' || 8 || 24 || 16 || 8 || 19 || 4 || 0 || — || — || 1 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 125 || 2 || 0 || 0 || — || 0.5 || 512 || √ || — || −40 – 105 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 4 || 12 || 1 || 7 || — || '''AT90PWM1'''
|-
| '''ATmega329P''' || 32 || 64 || 20 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 100 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega329P'''
|-
| '''ATmega3290P''' || 32 || 100 || 20 || 16 || 69 || 32 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 160 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega3290P'''
|-
| '''ATmega325P''' || 32 || 64 || 20 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega325P'''
|-
| '''ATmega3250P''' || 32 || 100 || 20 || 16 || 69 || 25 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega3250P'''
|-
| '''AT90USB82''' || 8 || 32 || 16 || 12 || 22 || 21 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 2 || 0 || 1 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 1 || 0 || 0 || — || 0.5 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 2 || 5 || 1 || 4 || — || '''AT90USB82'''
|-
| '''AT90USB162''' || 16 || 32 || 16 || — || 22 || 21 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 2 || 0 || 1 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 1 || 0 || 0 || — || 0.5 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 2 || 5 || 1 || 4 || — || '''AT90USB162'''
|-
| '''AT90PWM216''' || 16 || 24 || 16 || 12 || 19 || 4 || 0 || — || — || 1 || 0 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 125 || 2 || 1 || 10 || — || 1 || 512 || √ || — || −40 – 105 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 4 || 12 || 1 || 7 || — || '''AT90PWM216'''
|-
| '''AT90PWM316''' || 16 || 32 || 16 || 12 || 27 || 4 || 0 || — || — || 1 || 0 || 1 || 0 || 0 || 0 || 11 || 10 || 125 || 3 || 1 || 10 || — || 1 || 512 || √ || — || −40 – 105 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 5 || 16 || 1 || 12 || — || '''AT90PWM316'''
|-
| '''ATmega48P''' || 4 || 32 || 20 || 12 || 23 || 24 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || √ || 0.5 || 256 || — || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega48P'''
|-
| '''ATmega88P''' || 8 || 32 || 20 || 12 || 23 || 24 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || √ || 1 || 512 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega88P'''
|-
| '''ATmega168P''' || 16 || 32 || 20 || 16 || 23 || 24 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || √ || 1 || 512 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega168P'''
|-
| '''ATmega328P''' || 32 || 32 || 20 || 16 || 23 || 24 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || √ || 2 || 1024 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega328P'''
|-
| '''AT90PWM3B''' || 8 || 32 || 16 || 8 || 27 || 4 || 0 || — || — || 1 || 0 || 1 || 0 || 0 || 0 || 11 || 10 || 125 || 3 || 1 || 10 || — || 0.5 || 512 || √ || — || −40 – 105 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 5 || 16 || 1 || 12 || — || '''AT90PWM3B'''
|-
| '''AT90PWM2B''' || 8 || 24 || 16 || 8 || 19 || 4 || 0 || — || — || 1 || 0 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 125 || 2 || 1 || 10 || — || 0.5 || 512 || √ || — || −40 – 105 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 4 || 12 || 1 || 7 || — || '''AT90PWM2B'''
|-
| '''ATmega32U4''' || 32 || 44 || 16 || 14 || 26 || 13 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 12 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || √ || 2.5 || 1024 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 4 || 12 || 2 || 8 || — || '''ATmega32U4'''
|-
| '''ATmega1284P''' || 128 || 44 || 20 || 16 || 32 || 32 || 0 || — || — || 3 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 16 || 4096 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega1284P'''
|-
| '''ATmega16U4''' || 16 || 44 || 16 || 14 || 26 || 13 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 12 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || √ || 1.25 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 4 || 12 || 2 || 8 || — || '''ATmega16U4'''
|-
| '''ATmega16A''' || 16 || 44 || 16 || 16 || 32 || 3 || 0 || — || — || 1 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 1 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega16A'''
|-
| '''ATmega32A''' || 32 || 44 || 16 || 16 || 32 || 3 || 0 || — || — || 1 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega32A'''
|-
| '''ATmega88PA''' || 8 || 32 || 20 || 12 || 23 || 24 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || √ || 1 || 512 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega88PA'''
|-
| '''ATmega324PA''' || 32 || 44 || 20 || 16 || 32 || 32 || 0 || — || — || 3 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega324PA'''
|-
| '''ATmega48PA''' || 4 || 32 || 20 || 12 || 23 || 24 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || √ || 0.5 || 256 || — || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega48PA'''
|-
| '''ATmega164PA''' || 16 || 44 || 20 || 16 || 32 || 32 || 0 || — || — || 3 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 1 || 512 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega164PA'''
|-
| '''ATmega64A''' || 64 || 64 || 16 || 16 || 53 || 8 || 0 || — || — || 1 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 4 || 8 || 2 || 7 || √ || '''ATmega64A'''
|-
| '''ATmega128A''' || 128 || 64 || 16 || 16 || 53 || 8 || 0 || — || — || 1 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 4096 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 4 || 8 || 2 || 7 || √ || '''ATmega128A'''
|-
| '''ATmega8A''' || 8 || 32 || 16 || 12 || 23 || 2 || 0 || — || — || 1 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 1 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 3 || — || — || 3 || √ || '''ATmega8A'''
|-
| '''ATmega168PA''' || 16 || 32 || 20 || 16 || 23 || 24 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || √ || 1 || 512 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega168PA'''
|-
| '''ATmega8U2''' || 8 || 32 || 16 || — || 22 || 20 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 2 || 0 || 1 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 1 || 0 || 0 || — || 0.5 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 2 || 5 || 1 || 4 || — || '''ATmega8U2'''
|-
| '''ATmega16U2''' || 16 || 32 || 16 || 12 || 22 || 21 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 2 || 0 || 1 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 1 || 0 || 0 || — || 0.5 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 2 || 5 || 1 || 4 || — || '''ATmega16U2'''
|-
| '''ATmega32U2''' || 32 || 32 || 16 || 12 || 22 || 20 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 2 || 0 || 1 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 1 || 0 || 0 || — || 1 || 1024 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 2 || 5 || 1 || 4 || — || '''ATmega32U2'''
|-
| '''ATmega644PA''' || 64 || 44 || 20 || 16 || 32 || 32 || 0 || — || — || 3 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega644PA'''
|-
| '''ATmega16M1''' || 16 || 32 || 16 || 12 || 27 || 27 || 0 || — || — || 1 || 0 || 1 || 1 || 1 || 0 || 11 || 10 || 125 || 4 || 1 || 10 || √ || 1 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 2 || 14 || 1 || 10 || — || '''ATmega16M1'''
|-
| '''ATmega32M1''' || 32 || 32 || 16 || 12 || 27 || 27 || 0 || — || — || 1 || 0 || 1 || 1 || 1 || 0 || 11 || 10 || 125 || 4 || 1 || 10 || √ || 2 || 1024 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 2 || 14 || 1 || 10 || — || '''ATmega32M1'''
|-
| '''ATmega64M1''' || 64 || 32 || 16 || 12 || 27 || 27 || 0 || — || — || 1 || 0 || 1 || 1 || 1 || 0 || 11 || 10 || 125 || 4 || 1 || 10 || √ || 4 || 2048 || √ || — || −40 – 85 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 2 || 14 || 1 || 10 || — || '''ATmega64M1'''
|-
| '''ATmega169PA''' || 16 || 64 || 16 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 100 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 1 || 512 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega169PA'''
|-
| '''ATmega48A''' || 4 || 32 || 20 || 12 || 23 || 24 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || √ || 0.5 || 256 || — || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega48A'''
|-
| '''ATmega88A''' || 8 || 32 || 20 || 12 || 23 || 24 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || √ || 1 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega88A'''
|-
| '''ATmega168A''' || 16 || 32 || 20 || 16 || 23 || 24 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || √ || 1 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega168A'''
|-
| '''ATmega328''' || 32 || 32 || 20 || 16 || 23 || 24 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || √ || 2 || 1024 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega328'''
|-
| '''ATmega164A''' || 16 || 44 || 20 || 16 || 32 || 32 || 0 || — || — || 3 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 1 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega164A'''
|-
| '''ATmega324A''' || 32 || 44 || 20 || 16 || 32 || 32 || 0 || — || — || 3 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega324A'''
|-
| '''ATmega644A''' || 64 || 44 || 20 || 16 || 32 || 32 || 0 || — || — || 3 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega644A'''
|-
| '''ATmega1284''' || 128 || 44 || 20 || 16 || 32 || 32 || 0 || — || — || 3 || 1 || 2 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 16 || 4096 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 6 || 1 || 6 || √ || '''ATmega1284'''
|-
| '''AT90PWM81''' || 8 || 20 || 16 || — || 20 || 3 || 0 || — || — || 1 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 11 || 10 || 125 || 3 || 1 || 10 || √ || 0.25 || 512 || √ || — || −40 – 125 || 2.7 – 5.5 || 2.7 – 5.5 || 1 || 8 || 1 || 6 || — || '''AT90PWM81'''
|-
| '''ATmega165PA''' || 16 || 64 || 16 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 1 || 512 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega165PA'''
|-
| '''ATmega325A''' || 32 || 64 || 20 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega325A'''
|-
| '''ATmega3250A''' || 32 || 100 || 20 || 16 || 69 || 25 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega3250A'''
|-
| '''ATmega645A''' || 64 || 64 || 16 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega645A'''
|-
| '''ATmega645P''' || 64 || 64 || 16 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega645P'''
|-
| '''ATmega6450P''' || 64 || 100 || 20 || — || 69 || 25 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega6450P'''
|-
| '''ATmega6450A''' || 64 || 100 || 20 || — || 69 || 25 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega6450A'''
|-
| '''ATmega169A''' || 16 || 64 || 16 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 100 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 1 || 512 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega169A'''
|-
| '''ATmega329A''' || 32 || 64 || 20 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 100 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega329A'''
|-
| '''ATmega649A''' || 64 || 64 || 16 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 100 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega649A'''
|-
| '''ATmega3290A''' || 32 || 100 || 20 || 16 || 69 || 32 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 160 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || — || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega3290A'''
|-
| '''ATmega649P''' || 64 || 64 || 16 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 100 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega649P'''
|-
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|-
| '''ATmega6490P''' || 64 || 100 || 20 || 16 || 69 || 32 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 160 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 4 || 2048 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega6490P'''
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| '''ATmega329PA''' || 32 || 64 || 20 || 16 || 54 || 17 || 0 || — || — || 2 || 1 || 1 || 0 || 0 || 100 || 8 || 10 || 15 || 1 || 0 || 0 || — || 2 || 1024 || √ || √ || −40 – 85 || 1.8 – 5.5 || 1.8 – 5.5 || 3 || 4 || 1 || 4 || √ || '''ATmega329PA'''
|}

{| class="wikitable"
|+ '''General Features'''  
|-
| '''CPU''' || 8-bit AVR
|-
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|-
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| '''Ethernet''' || 0
|-
| '''SD / eMMC''' || 0
|-
| '''Grafik LCD''' || nein
|-
| '''Video Decoder''' || nein
|-
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|-
| '''Resistive Touch Screen''' || nein
|-
| '''External Bus Interface''' || 0
|-
| '''DRAM Memory''' || nein
|-
| '''NAND Interface''' || nein
|-
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|-
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|-
| '''Crypto Engine''' || nein
|-
| '''Calibrated RC Oscillator''' || ja
|}

=== ATxmega ===

{| class="wikitable"
|+ '''Device-specific Features'''  
|- valign="top"
! Device
! Flash [KiB]
! Pin Anzahl
! of Touch Kanäle
! Max I/O Pins
! Ext Interrupts
! USB Transceiver
! USB Speed
! USB Interface
! SPI
! TWI
! UART
! Segment LCD
! ADC Kanäle
! ADC Speed [ksps]
! Analog Comparators
! DAC Kanäle
! DAC Auflösung [bits]
! SRAM [KiB]
! EEPROM [Bytes]
! External Bus Interface
! DRAM Memory
! Crypto Engine
! Timers
! Output Compare Kanäle
! Input Capture Kanäle
! PWM Kanäle
! Device
|-
| '''ATxmega64A1''' || 64 || 100 || 16 || 78 || 78 || 0 || — || — || 12 || 4 || 8 || 0 || 16 || 2000 || 4 || 4 || 12 || 4 || 2048 || 1 || ja<ref name="sdram">SDRAM</ref> || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 8 || 24 || 24 || 24 || '''ATxmega64A1'''
|-
| '''ATxmega128A1''' || 128 || 100 || 16 || 78 || 78 || 0 || — || — || 12 || 4 || 8 || 0 || 16 || 2000 || 4 || 4 || 12 || 8 || 2048 || 1 || ja<ref name="sdram">SDRAM</ref> || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 8 || 24 || 24 || 24 || '''ATxmega128A1'''
|-
| '''ATxmega64A3''' || 64 || 64 || 16 || 50 || 50 || 0 || — || — || 10 || 2 || 7 || 0 || 16 || 2000 || 4 || 2 || 12 || 4 || 2048 || 0 || — || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 7 || 22 || 22 || 22 || '''ATxmega64A3'''
|-
| '''ATxmega128A3''' || 128 || 64 || 16 || 50 || 50 || 0 || — || — || 10 || 2 || 7 || 0 || 16 || 2000 || 4 || 2 || 12 || 8 || 2048 || 0 || — || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 7 || 22 || 22 || 22 || '''ATxmega128A3'''
|-
| '''ATxmega192A3''' || 192 || 64 || 16 || 50 || 50 || 0 || — || — || 10 || 2 || 7 || 0 || 16 || 2000 || 4 || 2 || 12 || 16 || 2048 || 0 || — || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 7 || 22 || 22 || 22 || '''ATxmega192A3'''
|-
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|-
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|-
| '''ATxmega256A3B''' || 256 || 64 || 16 || 47 || 49 || 0 || — || — || 8 || 2 || 6 || 0 || 16 || 2000 || 4 || 2 || 12 || 16 || 4096 || 0 || — || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 7 || 22 || 22 || 22 || '''ATxmega256A3B'''
|-
| '''ATxmega256D3''' || 256 || 64 || 16 || 50 || 50 || 0 || — || — || 5 || 2 || 3 || 0 || 16 || 200 || 2 || 0 || 0 || 16 || 4096 || 0 || — || — || 5 || 18 || 18 || 18 || '''ATxmega256D3'''
|-
| '''ATxmega192D3''' || 192 || 64 || 16 || 50 || 50 || 0 || — || — || 5 || 2 || 3 || 0 || 16 || 200 || 2 || 0 || 0 || 16 || 2048 || 0 || — || — || 5 || 18 || 18 || 18 || '''ATxmega192D3'''
|-
| '''ATxmega128D3''' || 128 || 64 || 16 || 50 || 50 || 0 || — || — || 5 || 2 || 3 || 0 || 16 || 200 || 2 || 0 || 0 || 8 || 2048 || 0 || — || — || 5 || 18 || 18 || 18 || '''ATxmega128D3'''
|-
| '''ATxmega64D3''' || 64 || 64 || 16 || 50 || 50 || 0 || — || — || 5 || 2 || 3 || 0 || 16 || 200 || 2 || 0 || 0 || 4 || 2048 || 0 || — || — || 5 || 18 || 18 || 18 || '''ATxmega64D3'''
|-
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|-
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|-
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|-
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|-
| '''ATxmega32A4U''' || 32 || 44 || 16 || 34 || 34 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 7 || 2 || 5 || 0 || 12 || 2000 || 2 || 2 || 12 || 4 || 1024 || 0 || — || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 5 || 16 || 16 || 16 || '''ATxmega32A4U'''
|-
| '''ATxmega64A3U''' || 64 || 64 || 16 || 50 || 50 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 10 || 2 || 7 || 0 || 16 || 2000 || 4 || 2 || 12 || 4 || 2048 || 0 || — || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 7 || 22 || 22 || 22 || '''ATxmega64A3U'''
|-
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|-
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|-
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| '''ATxmega256A3BU''' || 256 || 64 || 16 || 47 || 49 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 8 || 2 || 6 || 0 || 16 || 2000 || 4 || 2 || 12 || 16 || 4096 || 0 || — || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 7 || 22 || 22 || 22 || '''ATxmega256A3BU'''
|-
| '''ATxmega64B3''' || 64 || 64 || 16 || 36 || 36 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 2 || 1 || 1 || 100 || 8 || 2000 || 2 || 0 || 0 || 4 || 2048 || 0 || — || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 2 || 6 || 6 || 6 || '''ATxmega64B3'''
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|-
| '''ATxmega128B1''' || 128 || 100 || 16 || 53 || 53 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 3 || 1 || 2 || 160 || 16 || 2000 || 4 || 0 || 0 || 8 || 2048 || 0 || — || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 3 || 10 || 10 || 10 || '''ATxmega128B1'''
|-
| '''ATxmega64B1''' || 64 || 100 || 16 || 53 || 53 || 1 || ja<ref name="usbs">Full Speed</ref> || ja<ref name="usbd">Device</ref> || 3 || 1 || 2 || 160 || 16 || 2000 || 4 || 0 || 0 || 8 || 2048 || 0 || — || ja<ref name="cry">AES/DES</ref> || 3 || 10 || 10 || 10 || '''ATxmega64B1'''
|}

{| class="wikitable"
|+ '''General Features'''  
|-
| '''Max. &fnof;CPU [MHz]''' || 32
|-
| '''CPU''' || 8-bit AVR
|-
| '''Hardware Qtouch''' || nein
|-
| '''Quadrature Decoder Kanäle''' || 0
|-
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|-
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|-
| '''SSC''' || 0
|-
| '''Ethernet''' || 0
|-
| '''SD / eMMC''' || 0
|-
| '''Grafik LCD''' || nein
|-
| '''Video Decoder''' || nein
|-
| '''Kamera Interface''' || nein
|-
| '''ADC Auflösung [bits]''' || 12
|-
| '''Resistive Touch Screen''' || nein
|-
| '''Temp. Sensor''' || ja
|-
| '''Self Program Memory''' || ja
|-
| '''NAND Interface''' || nein
|-
| '''picoPower''' || ja
|-
| '''Temp. Bereich [°C]''' || −40 – 85
|-
| '''I/O Supply Class [V]''' || 1.6 – 3.6
|-
| '''Operating Voltage [VCC]''' || 1.6 – 3.6
|-
| '''FPU''' || nein
|-
| '''MPU / MMU''' || nein / nein
|-
| '''32kHz RTC''' || ja
|-
| '''Calibrated RC Oscillator''' || ja
|}

== Referenzen ==
<references/>

== Weblinks ==

* [http://www.avrfreaks.net/index.php?module=Freaks%20Devices&func=devCompare Vergleichstabelle] von AVRFreaks
* [http://www.atmel.com/dyn/products/param_table.asp?family_id=607&OrderBy=part_no&Direction=ASC#760 Vergleichstabelle aller aktuellen AVR Controller bei Atmel]

[[Kategorie:AVR]]
[[Kategorie:Liste mit Bauteilen]]

Templates (C++)

2012-09-18T07:01:34Z

Mfgkw: Templateklassen, Spezialisierung

Templates in [[C++]] — mitunter auch ''Schablonen'' genannt — erlauben die "generische" Programmierung.

Es gibt Templates für Funktionen oder Methoden ebenso wie für Klassen.

Bei der Programmierung von Mikrocontrollern in C++ sind Templates deshalb interessant, weil sie zum Zeitpunkt der Kompilierung greifen und damit zu weniger Overhead führen (können) als universelle Bibliotheksfuntionen, deren Leistungsumfang von einer konkreten Applikation nur teilweise benutzt wird. Da Templates nur einmalig hinterlegt sind, vermeiden sie die Nachteile der [[Copy-und-Paste-Programmierung]].

Ähnlich wie parametrisierte [[Makro]]s kann man Templates als Quelltexte verstehen, die ''einmal'' geschrieben und ''häufig'' eingesetzt werden – jeweils mit mehr oder weniger großen Variationen. Insbesondere lassen sich mit Templates
* Datentypen<ref>Früher hatten Templates in C++ daher den Namen ''Parametrized Types''</ref> und
* Compilezeit-Konstanten
parametrisieren, das heißt bis zu einer konkreten Verwendung einer Template (= Instanziierung) offen halten.

== Funktionstemplates ==

Als Beispiel hier eine Template(-Funktion) zum Vertauschen von zwei Ganzzahlen:

<c>
template<typename T>
void swap(T* xp, T* yp) {
T tmp; tmp = *xp; *xp = *yp; *yp = tmp;
}
</c>

Die erste Zeile erklärt dabei dem C++-Compiler, dass das nachfolgend verwendete Symbol ''T'' einen beliebigen Typnamen repräsentiert. Ohne diese Zeile würde man eine Fehlermeldung wegen eines undefinierten Namens erhalten.

Bei der späteren, tatsächlichen Verwendung dieser Funktion kann man einen konkreten Typ angeben:

<c>
int a, b;
double c, d;
struct s e, f;
...
swap<int>(&a, &b);
swap<double>(&c, &d);
swap<struct s>(&e, &f);
</c>

oder – noch einfacher – lässt den Compiler aus dem Typ des verwendeten Template-Arguments auf den Typ von ''T'' schließen<ref>Voraussetzung dafür ist, dass das Template eine Funktion und keine Klasse beschreibt und dass der parametrisierte Typ ''T'' aus den aktuellen Parametern erkannt werden kann. Hier: erwartet wird ein ''Zeiger auf T'', übergeben werden mit ''&a'' und ''&b'' konkret ''Zeiger auf int'', also muss es sich bei dem Typ ''T'' in '''diesem''' Aufruf um ''int'' handeln.</ref>:

<c>
swap(&a, &b);
swap(&c, &d);
swap(&e, &f);
</c>

Beim Programmieren mit Templates sollte allerdings auf die Minimierung von Abschnitten geachtet werden, für die der erzeugte Code ''nicht'' mit den Template-Parametern variiert, zumindest dann, wenn eine Template typischerweise in ein und demselben Quelltext mehrfach mit unterschiedlichen Parametern verwendet wird.

Für das obige Beispiel ist das insofern der Fall, als Zuweisungen in der Template-Funktion Maschinencode erzeugen werden, der für die unterschiedlichen Datentypen jeweils verschieden ausfällt z. B. ein ''MOV''-Befehl für 2 oder 4 Byte bei für die Verwendung mit ''int'', 8 Byte für ''double'' und vielleicht einen ''memmove''-Aufruf für die Strukturzuweisung.

Andererseits könnte der Aufruf von ''swap'' mit den Datentypen ''long'' und ''float'' dazu führen, dass aufgrund der Template zwei Funktionen instanziiert werden, die vom Maschinencode her identisch sind (wenn ''float'' und ''long'' beide 4 Byte haben). Das selbe gilt bei der Verwendung von ''swap'' mit verschiedenen Struktur-Typen der selben Größe.

;Hinweis: Um den berühmt-berüchtigten "Code-Bloat" durch Templates zu vermeiden, ist also eine gute Kenntnis der Hintergründe des Template-Mechanismus unabdingbar.

== Klassentemplates ==

Ein typisches Beispiel für Templateklassen sind Container, also Datentypen, die irgendwelche anderen Werte aufnehmen sollen (Listen, Vektoren, Maps, Sets, ...).
Ohne Templates müsste man eine Liste schreiben, um int-Werte zu speichern, eine weitere (praktisch identische) für double-Werte, und so weiter.
Mit Templates schreibt man einmal die gesamte Funktionalität der Liste und lässt dabei den Typ der gespeicherten Daten einfach offen als Parameter des Templates (template < typename T > class Liste...).
Zur Verwendung gibt man den gewünschten Parameter (z.B. int) hinter dem template-Namen an (Liste< int >) und der Compiler erzeugt dann aus dem Template genau eine vollständige Klasse, indem er das Template Liste nimmt und darin T durch int ersetzt.

Ein kleines lauffähiges Beispiel einer Liste:
<c>
template < typename T >
class Liste
{
public:

// Konstruktor
Liste()
: m_listenanfang( NULL )
{
}

// Destruktor
virtual ~Liste()
{
delete m_listenanfang;
}

void einfuegen( T neuerwert )
{
m_listenanfang = new Listenelement( neuerwert, m_listenanfang );
}

void drucke() const
{
for( Listenelement * i=m_listenanfang; i!=NULL; i=i->m_next )
{
std::cout << "" << i->get() << std::endl;
}
}

private:
class Listenelement
{
public:
// Konstruktor
Listenelement( const T &wert, Listenelement *next = NULL )
: m_daten( wert ),
m_next( next )
{
}

// Destruktor
virtual ~Listenelement()
{
delete m_next;
}

const T &get()
{
return m_daten;
}

T m_daten;
Listenelement * m_next;
};

Listenelement *m_listenanfang;
};
</c>

Die Verwendung würde so aussehen:
<c>
...
Liste< int > meineliste;
meineliste.einfuegen( 42 );
meineliste.einfuegen( 25 );

meineliste.drucke();
...
</c>

Entsprechend würde der Compiler eine komplette weitere Klasse erstellen, wenn er auf Liste<double> trifft, und so weiter für jeden weiteren mit Liste<> verwendeten Datentyp.

Deshalb muß man sich bewusst sein, dass bei unvorsichtiger Verwendung mit Templates schnell viel Programmcode erzeugt wird.
Hier ist das kein Problem, weil Container wie die Liste üblicherweise wenige einfache Operationen enthalten. Wenn eine Klasse aber viel Code enthält und in vielen Ausprägungen benötigt wird, ist es gegebenenfalls sinnvoller, eine Basisklasse zu schreiben, in der möglichst viel gemeinsamer Code untergebracht ist, und die Ausprägungen dann als Ableitungen zu erzeugen (evtl. als Template-Klasse, mit dem gemeinsamen Code als Basisklasse).

Ein sinnvolles Beispiel für Templateklassen findet sich zu Festkommazahlen in [[http://www.mikrocontroller.net/topic/227823#2294693]]. Hier steckt die gesamte Logik zu Festkommaarithmetik in einer Templateklasse, und über die Template-Parameter kann gesteuert werden, ob intern mit 8, 16, oder 32 Bit gerechnet wird, welcher Datentyp für interne Berechungen genutzt werden soll, und welche Skalierung genutzt werden soll (wo also das Komma zu stehen hat).

== Spezialisierung ==

Manchmal könnte man mit einem Template viele Fälle vereinfachen, hat aber bei bestimmten Parametern Probleme.

Beispiel: Man schreibt sich eine Templatefunktion max(), die zwei Parameter bekommt und den größeren der beiden zurückliefert:
<c>
template < typename T >
T max( T a, T b)
{
return ( a>b ? a : b );
}
...
int i = 12, j = 42;
... max( i, j ) ... // liefert 42
...
</c>

Das funktioniert gut, solange man Werte hat, die sinnvoll mit dem Operator > verglichen werden können.

Ruft man das Makro mit Strings auf (max( "Emil", "Otto" )), dann wird natürlich nicht nach der alphabetischen Reihenfolge der Strings entschieden, sondern es werden vom Template die Adressen der Anfangsbuchstaben mit > verglichen.

Möchte man nun für die meisten Datentypen den Vergleich mit > haben, allerdings für die nullterminierten C-Strings lieber strcmp() verwenden, um einen lexikalischen Vergleich zu haben, schreibt man sich eine Spezialisierung:
<c>
// template für die meisten Datentypen:
template < typename T >
T max( T a, T b)
{
return ( a>b ? a : b );
}

// Spezialisierung für nullterminierte Strings:
template<>
const char *max<const char *>( const char *a, const char *b)
{
return ( std::strcmp( a, b )>0 ? a : b );
}
...
int i = 12, j = 42;
... max( i, j ) ... // liefert 42 aus dem allgemeinen Template
... max( "Emil", "Otto" ) ... // verwendet die Spezialisierung
...
</c>

Man kann bei Bedarf mehrere Spezialisierungen angeben.

Analog kann man Templateklassen spezialsiieren.

== Fußnoten==
<references/>

[[Kategorie:C++]]

Inline (C++)

2012-09-18T05:28:57Z

Mfgkw: Ergänzungen zu inline

In [[C++]] werden die Anweisungen von Unterprogrammen<ref>Der Begriff Unterprogramm schließt hier ''Funktionen'' (C-Terminologie) und ''Methoden'' (C++-Terminologie) ein</ref>, die mit dem Zusatz ''inline'' definiert sind, an jeder Aufrufstelle erneut eingesetzt.

Ein Unterprogramm ''inline'' zu definieren entspricht dem klassischen Austausch von "Geschwindigkeit der Ausführung" gegen "Platzbedarf des Maschinen-Codes". Da man bei der Programmierung von Mikrocontrollern mitunter in der einen oder anderen Richtung optimieren muss, kann dieses Feature interessant sein.

Mit ''inline'' wird:
* ein Unterprogrammsprung-Befehl vermieden (→ schneller),
* ebenso wie der Rücksprung-Befehl am Ende, aber dafür
* bei Aufrufen an vielen ''verschiedenen'' Stellen mehr Code erzeugt.
* Für sehr kleine Unterprogramme<ref>Sehr kleine Unterprogramme kommen insbesondere bei der Objektorientierter Programmierung vor, bei der die Erfahrung und guter Stil zu der Richtlinie geführt haben, Attribute von Klassen ''privat'' zu machen und für Zugriff ''public'' Methoden bereit zu stellen.</ref> wird evtl. sogar weniger Code erzeugt (→ doppelter Gewinn) und
* für leere Unterprogramme wird überhaupt kein Code erzeugt.<ref>Normalerweise gibt es keinen Grund, leere Unterprogramme zu schreiben – ausgenommen universell gehaltene Programmteile, die applikationsspezifisch verfeinert und mit zusäzlichen Features ausgestattet werden können.</ref>
* Durch den fehlenden Rücksprung-Befehl (Punkt 2) wird auch kein Speicher für die Rücksprungadresse im Stack benötigt.

Ohne ''inline'' wird:
* für das Unterprogramm nur ''einmal'' Code erzeugt<ref>Erkennt ein Compiler, dass eine Funktion/Methode statisch nur einmal verwendet wird, kann er auch ohne das Schlüsselwort ''inline'' die Funktion inlinen.</ref>, der bei jedem Aufruf
* über einen entsprechenden Maschinenbefehl erreicht wird.
* Eventuell sind unmittelbar nach Eintritt in das Unterprogramm weitere Maschinebefehle nötig<ref>Beispielsweise kann es sein, dass unmittelbar nach Eintritt in das Unterprogramm noch [[Register]] gesichert und am Ende restauriert werden müssen, wenn diese innerhalb des Unterprogramms für Zwischenberechnungen benutzt werden. Die Details regelt die ''Calling-Sequence'', die jedoch abhängig vom verwendeten Compiler ist.</ref>,
* ebenso wie am Ende, wenn das Unterprogramm an die Aufrufstelle zurückkehrt.

Als ''inline'' definierte Funktionen sind keine [[Makro]]s. Sie können funktionsähnliche Makros ersetzen, verhalten sich aber "semantisch korrekt" und sind deshalb vorzuziehen. Insbesondere gilt, dass ''inline''-Unterprogramme
* lokale Hilfsvariablen haben können und
* Seiteneffekte auch bei mehrfacher Verwendung eines Parameters nur einmalig stattfinden.
Damit sind die folgenden Unterprograme (Vertauschen zweier Ganzzahlen, Bestimmung des Maximums zweier Ganzzahlen) unproblematisch.
<c>
inline void swap (int *xp, int *yp)
{
int tmp = *xp; *xp = *yp; *yp = tmp;
}

inline int max (int a, int b)
{
return (a > b) ? a : b;
}
</c>
Bei "Tricksereien" mit [[C-Präprozessor|Makros]] wäre im Fall von ''swap'' dagegen die Verwendung
<c>
int i, j;
...
if (i < j)
swap (&i, &j);
else ...
</c>
ein Syntaxfehler. (Ein Makro für swap müsste wegen der Hilfsvariablen zu einem ein Block {...} expandieren, womit das Semikolon am Ende der Zeile nicht stehen darf.)

Ebenso ist mit einer ''inline-Funktion''
<c>
j = max (i++, 10);
</c>
kein Problem. (Ein Makro würde wegen des rein textuellen Ersatzes seiner Parameter die Inkrementierung u.U. doppelt auslösen.)

Daß man eine Funktion als inline deklariert, heißt aber nicht zwangsläufig, daß der Compiler den Code bei einem Aufruf wirklich inline einfügen muss.
Vielmehr ist das Schlüsselwort inline nur ein Hinweis, daß der Programmierer es für sinnvoll hält. Es steht dem Compiler frei, die Funktion trotzdem wie sonst auch einzeln zu übersetzen und bei jeder Verwendung einen normalen Aufruf einzusetzen. Üblicherweise wird das anhand der Codegröße vom Compiler entschieden, wobei die Grenze meist mit Compileroptionen verschoben werden kann.
Die semantische Korrektheit im Vergleich zu funktionsähnlichen Makros ist trotzdem gegeben.

Normalerweise wird die Deklaration einer Funktion in einer Headerdatei (Endung .h) vorgenommen, die Definition dagegen in einer .cpp, die möglicherweise getrennt vom restlichen Programm kompiliert wird.
Da der Compiler den als inline deklarierten Code überall einsetzen soll, wo die Funktion aufgerufen wird, muß er auch überall den Code kennen.
Deshalb schreibt man bei inline-Funktionen die gesamte Definition gleich in die Headerdatei. Das dabei sonst auftretende Linkerproblem (Funktion mehrfach definiert) entfällt. Dies gilt auch, wenn der Compiler das Schlüsselwort inline ignoriert (in diesem Fall bekommt der Linker eventuell die kompilierte Funktion mehrfach präsentiert und nimmt dann stillschweigend nur eine davon, in der Hoffung daß sie alle gleichwertig sind).
Dies kann man "mißbrauchen", um eine kleine Bibliothek von Hilfsfunktionen einfach als Headerdatei zu schreiben, ohne getrennt zu kompilierenden Quelltext verwenden zu müssen.

Bei der Definition von Klassen sind alle Methoden, die innerhalb der Klasse definiert werden (nicht nur deklariert), automatisch inline. Man kann sich das Schlüsselwort also dort sparen.

== Fußnoten ==
<references/>

[[Kategorie:C++]]

AVR Net-IO Bausatz von Pollin

2012-08-20T07:35:33Z

Mfgkw: /* NET-IO Control (Android) */

Hier steht eine Beschreibung des Pollin Bausatzes [http://www.pollin.de/shop/shop.php?cf=detail.php&pg=NQ==&a=MTQ5OTgxOTk= AVR-NET-IO. Best.Nr. 810 058], oder als aufgebautes Fertigmodul, Best.Nr. 810 073.

Einige Features: Ethernet-Platine mit ATmega32 und Netzwerkcontroller ENC28J60. Die Platine verfügt über 8 digitale Ausgänge, 4 digitale und 4 ADC-Eingänge, welche alle über einen Netzwerkanschluss (TCP/IP) abgerufen bzw. geschaltet werden können.

[[Datei:AVR-NET-IO ADD-ON.JPG|thumb|right|400px|AVR-NET-IO (links) mit zusätzlicher SUB-D Anschlussplatine (rechts, nicht im Lieferumfang)und Add-On-Board (oben, mit aufgelötetem RFM12-433-Modul, beides nicht im Lieferumfang). Ebenso ist zusätzlich ein nicht im Lieferumfang enthaltener kleiner Kühlkörper auf einem der Spannungsregler montiert und die Schraubklemmen zur Stromversorgung wurden durch Buchsen ersetzt.]]

== Technische Daten ==

* Betriebsspannung 9 V AC/DC
* Stromaufnahme ca. 190 mA
* 8 digitale Ausgänge (0/5 V) [PC0-PC7 an J3]
* 4 digitale Eingänge (0/5 V) [PA0-PA3 an J3]
* 4 ADC-Eingänge (10 Bit) [PA4-PA7 an Schraubklemmen]
* LCD-Anschluss (HD44780 komp. Controller nötig) [PD2-7,PB0,PB3 an EXT]
* [[ENC28J60]]
* [http://www.atmel.com/dyn/Products/Product_card.asp?part_id=2014 ATmega32] Mikrocontroller

Maße (L×B×H): 108×76×22 mm.

== Hardware ==

Die Schaltung des AVR-NET-IO ist recht einfach:
* Ein ATmega32 Mikrocontroller enthält die gesamte Software
* Ein ENC28J60 Ethernet-Controller für das Senden und Empfangen von Ethernet Frames (MAC und PHY Ethernet Layer) ist über [[SPI]] mit dem ATmega32 verbunden
* Ein Ethernet RJ-45 MagJack TRJ 0011 BA NL von [http://www.trxcom.com/ Trxcom] mit eingebautem Übertrager und Anzeige-LEDs am ENC28J60.
* Ein MAX232 für die serielle Schnittstelle
* Zwei Spannungsregler, 5 V und 3,3 V
* "Hühnerfutter"

Fast alle I/O Pins des ATmega32 sind irgendwo auf Anschlüssen herausgeführt. Entweder auf dem SUB-D Stecker, dem EXT oder ISP Wannensteckern oder den blauen Anschlussklemmen. Eine Schutzbeschaltung gibt es nicht.

Die blauen Anschlussklemmen haben eine Nut und eine Feder mit denen man
sie zusammenstecken kann, dadurch ist das Anlöten wesentlich leichter
und sie stehen auch sauber in der Reihe.

=== Erweiterungsplatine ===

Seit Januar 2010 gibt es auch eine Erweiterungsplatine

[http://www.pollin.de/shop/dt/Nzg4OTgxOTk-/Bausaetze/Diverse/Bausatz_Add_on_fuer_AVR_NET_IO.html Add-on für AVR-NET-IO-Board Best.Nr. 810 112]

Diese Platine erweitert das NET-IO um:

* SD-Karten-Slot über SPI
* Display über PCF 8574
* Infrarot
* [[RFM12]] Funkmodul (nicht im Lieferumfang enthalten)

Ausserdem soll es die 3.3V Versorgung der Hauptplatine verbessern. Dazu sollte man einen 4,7 kOhm Widerstand parallel zu R2 schalten. Sonst beträgt die Ausgangsspannung nur ca. 2,8V. (Tipp aus dem u.g. Thread im Forum)

Um bei einem Neuaufbau parallele Widerstände zu vermeiden, sollten folgende Änderungen auf dem Addon-Board gemacht werden:
*R2 1,5kΩ ersetzen mit 2kΩ
*R3 1,8K ersetzen mit 3,3kΩ
*R19 470kΩ ersetzen zu 470Ω
*Q1 BC548 ersetzen durch BC327 oder BC328 (Hauptsache PNP! und mehr als 100mA)

Stand Feb. 2011: R2 wird mit 2,2kΩ und R3 wird mit 3,6kΩ ausgeliefert. Somit werden die 3,3 V richtig erzeugt. R19 hat 470Ω.
Der ISP-Anschluß ist nicht vollständig durchgeschleift, es besteht keine Verbindung der RESET-Leitung zwischen ISP und ISP1 (Abhilfe: Drahtbrücke einlöten, [http://www.mikrocontroller.net/topic/161354#1600385 Quelle]).

Stand Nov. 2011: bei mir ist die RESET-Leitung korrekt zw. ISP und ISP1 verbunden. Es gibt jetzt auch einen R24 (470Ohm) und R11 (1KOhm), der in der bei mir mitgelieferten Bauanleitung fehlt, in der zum Download (V1.1) angebotenen aber drin steht.
Es wird immer noch der falsche Q1 BC548C (NPN) mitgeliefert. Das Schaltsymbol für einen PNP ist richtig im Schaltplan gezeichnet.

Stand Dez. 2011: '''R24''' (470Ohm) sollte mit 0 Ohm ersetzt
und '''R11''' (1KOhm) völlig weggelassen werden! 
Diese Widerstände bilden einen überflüssigen Spannungsteiler in der MISO Leitung. 
[http://son.ffdf-clan.de/include.php?path=forumsthread&threadid=1167&postid=9203 Fehler im Add-On V1.1]

Erste Erfahrungsberichte im Forum http://www.mikrocontroller.net/topic/161354

=== Hardware-Umbauten & -Verbesserungen ===

* Kühlkörper auf dem 7805 - (Vorsicht: Der LM317T ist rückseitig spannungsführend. Den Kühlkörper also keinesfalls an beide Spannungsregler anschließen!)
* MAX232 nach anfänglicher Konfiguration nicht bestücken um Strom zu sparen oder um zwei weitere I/O-Pins zu gewinnen
* 10µF-Elkos für MAX232N (C14-C17) durch 1µF ersetzen. Eine 10µF-Version für den MAX232 gibt es nicht. Die 10µF-Elkos können auch Ursache einer nicht funktionierenden RS232 sein.
** Laut Spezifikation sind auch mehr als 1µF erlaubt. Selbst Atmel verwendet beim STK500 10µF. Dies führt keinesfalls dazu, dass die RS232 nicht mehr funktioniert.
* Die IC-Fassungen aus "Pollins Resterampe" durch Fassungen mit gedrehten Kontakten ersetzen.
* ''Netz'' LED nicht bestücken oder größere Widerstände einlöten um Strom zu sparen (R3)
* Vorwiderstände der Ethernet-LEDs größer machen (z. B. verdoppeln) um Strom zu sparen (R6,R7)
* Linear-Spannungsregler ersetzen
* Kondensator an AREF-Pin des ATmega32 (ATmega32 Datenblatt) (100nF gegen Masse)
* Kondensator an den RESET-Pin des ATmega32 ([http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2521.pdf Atmel Application Note AVR042: AVR Hardware Design Considerations]) Wenn man diese Quelle genauer liest, ist das aber eher unnötig. - Kondensator bei selbstbau-ISP empfehlenswert.
* Umbau auf 3,3 V:
** Ersatz der Spannungsregler durch einen einzigen 3,3 V Regler
** Anpassen (verkleinern) des LED-Vorwiderstands R3 für 3,3 Volt Betrieb
** Reduktion der Taktfrequenz (Austausch von Q2) auf den bei 3,3V erlaubten Bereich des ATmega32 ( ATmega32(L) 3.3V /8.0 Mhz Takt )
** Ersatz des MAX232 durch einen MAX3232
[[Bild:POWER.JPG|thumb|400px|5V Stromversorgung über USB Kabel, ohne 5 V Spannungsregler und Gleichrichterdioden, Vorsicht: kein Verpolungsschutz! ]]
* ATmega32 vom ENC28J60 takten (OSC2)
* Betrieb mit Gleichspannung:
** Dioden D2 und D5 durch Drahtbrücken ersetzen, D1 und D4 nicht bestücken (komplette Entfernung des Brückengleichrichters, beinhaltet Verlust des Verpolungsschutzes)
** Diode D2 bestücken, D5 durch Drahtbrücke ersetzen, D1 und D4 nicht bestücken (Brückengleichrichter durch Verpolungsschutze ersetzen)
*** ??? Ist dies nicht kontraproduktiv? Bei mir wurde durch D2-Bestückung die Eingangsspannung von ca. 5,2 V am LM317T auf ca. 4,6 V gedrückt, so dass am ENC28J60 nur ca. 2,6 V ankamen (außerhalb der lt. Datenblatt "Operating voltage range of 3.14V to 3.45V"). Man müsste also ein geregeltes Netzteil mit ca. 5,5 V anschließen um 5 und 3,3 V zu erzielen. Dann lieber den Verpolungsschutz durch andere Maßnahmen sicherstellen.
** Beim Betrieb von USB beachten, dass USB-Spezifikation keinesfalls 5V garantiert, sondern Spannung bis runter 4.4V erlaubt und dann u.U. durch den LM317 nicht mehr genügend Spannung am ENC anliegt. Das äußert sich so, dass zwar der Atmega einwandfrei funktioniert, die Ethernet-Kommunikation aber nicht oder nur sehr sporadisch.
* Ersatz des ATmega32 durch einen ATmega644 oder ATmega1284p mit mehr FLASH-Speicher.
** Der ATmega644 und auch der ATMega1284p sind nicht mit der Pollin-Firmware kompatibel
* 100nF über alle drei IC Störunterdrückung zusätzlich bestücken

== Inbetriebnahme der Originalsoftware ==
=== Einleitung ===

Die bei Auslieferung (Stand September 2008) in den ATmega32 gebrannte Firmware stellt sich manchmal recht zickig an. Es scheint dann die Netzwerk-Schnittstelle, ggf. auch die seriell Schnittstelle, nicht zu funktionieren. Falls es Probleme geben sollte, sollte man erst einmal einen Firmwareupdate versuchen. Dies geschieht über die serielle Schnittstelle mittels des Programmes NetServer (aktuelle Version 1.03, Februar 2010), die dem Bausatz beiliegt.

Falls die serielle Schnittstelle ebenfalls nicht zugänglich ist, kann mit den im folgenden beschriebenen Schritten die Inbetriebnahme der Software möglich sein. Dazu benötigt man:

* Einen Windows-PC mit Ethernet-Schnittstelle und RS232-Schnittstelle (ein Prolific RS232-USB Konverter funktioniert)
* Entweder
**zwei normale (''straight through'') Ethernet-Kabel und einen Ethernet Switch/Hub, oder
**ein gekreuztes(''cross over'') Ethernet-Kabel
* Einen AVR Programmer (Hardware und Software). Zum Beispiel einen [[AVR Dragon]] oder [[STK500]] mit [[AVR Studio]] oder das [[Pollin ATMEL Evaluations-Board]] und [[avrdude]].
* Die [http://www.pollin.de/shop/ds/MTQ5OTgxOTk-.html Pollin NetServer Software], Version 1.03 (oder neuer)

=== Gelieferten ATmega32 richtig einstellen ===
[[image:fuse_bits_avr_studio.jpg|thumb|right|250px|Einstellungen der Fuse-Bits mittels AVR Studio 4]]
Die Fuses der gelieferten ATmega32s scheinen nicht immer mit den im Handbuch auf Seite 12 als erforderlich angegebenen Fuse-Einstellungen übereinzustimmen.

Dies kann man mittels eines Programmers ändern. LFuse = 0xBF, HFuse = 0xD2. Das genaue Vorgehen hängt dabei vom verwendeten Programmer ab. Bei der Gelegenheit kann man ebenfalls eine Sicherheitskopie des ursprünglichen Flash-Inhalts und des EEPROMs anfertigen. Das EEPROM scheint die MAC-Adresse des Ethernet-Ports zu enthalten.

Entgegen der Spezifikation im Handbuch von Pollin sollten die '''HFuses auf 0xC2''' gesetzt werden, d. h. CKOPT-Fuse programmiert (dies ist in der Software Version 1.03 bereits vollzogen). Das sorgt für einen stabilen Betrieb des AVR-Oszillators im "full rail-to-rail swing"-Mode bei 16 MHz. Atmel garantiert ansonsten nur stabilen Betrieb bis 8 MHz. Siehe ATmega32-Datenblatt, Kapitel 8.4, Crystal Oscillator.
{{Absatz}}

==== Funktionsfähige Konfiguration - AVR-Prog ====

[[Bild:Avrprog.png|thumb|right|250px]]
Benutzer von AVR-Prog können die nachfolgenden Einstellungen für die Lock- und Fuse-Bits verwenden. Hierbei handelt es sich um die ausgelesenen Einstellungen eines funktionsfähigen Controllers. Allerdings sollte, laut Handbuch des AVR-NET-IO-Boards, das Fuse-Bit EESAVE eigentlich gesetzt sein.

Alternativ kann auch per avrdude die Einstellung getroffen werden:
avrdude -c stk500v2 -pm32 -U lfuse:w:0xBF:m
und
avrdude -c stk500v2 -pm32 -U hfuse:w:0xC2:m

Anschließend muß noch der Bootloader und die Firmware aktualisiert werden (siehe Handbuch AVR-NET-IO-Board Seite 12 Punkt 3).

=== PC Konfiguration ===

==== PC normalerweise nicht im 192.168.0.0/24 Subnetz ====

Betreibt man den PC nicht im 192.168.0.0/24 Subnetz, muss er wie folgt umkonfiguriert werden, oder die IP Adresse des Boards wird entsprechend angepasst. ( Siehe Handbuch Seite 14ff. Das ist meist sinnvoller und auch einfacher. )

Den PC vom normalen Netzwerk abstecken[1]. Zur Umkonfiguration dazu bei Windows XP in der Systemsteuerung ''Netzwerkverbindungen'' aufrufen und die lokale ''LAN-Verbindung'' markieren. Dann in der rechten Leiste ''Einstellungen dieser Verbindung ändern'' aufrufen.

Es erscheint der Dialog ''Eigenschaften von <Verbindungsname>''. In der Liste im Dialog zu ''Internetprotokoll (TCP/IP)'' gehen. Ein Doppelklick auf den Eintrag öffnet den ''Eigenschaften von Internetprotokoll (TCP/IP)'' Dialog.

In diesem Dialog ''Folgende IP-Adresse verwenden:'' auswählen und zum Beispiel

IP-Adresse: '''192.168.0.100''' 
Subnetzmaske: '''255.255.255.0''' 
Standardgateway: '''192.168.0.1'''

eingeben.

Anmerkung von bitman:
[1] Dies ist spätestens ab Windows XP nicht mehr notwendig, wenn das Netz 192.168.0.0/24 noch frei ist. Dann kann man einfach den Client ''zusätzlich'' in diesem Netzwerk zusätzlich einbinden über Einstellungen/Netzwerkverbindungen/Lanverbindung/Eigenschaften/TCP-IP/Eigenschaften/Erweitert/IP-Adresse hinzufügen. Es werden dann eben mehrere IP-Adressen an den NIC gebunden.

Alle geöffneten Dialoge nacheinander mit OK schließen.

Alternativ bietet sich das Umprogrammieren des Boards über die serielle Schnittstelle an. Die Werte für IP-Adresse, Netzmaske und Standard-Gateway werden mit den dokumentierten SETxx-Befehlen geändert, das Board neu gestartet und ans vorhandene Netzwerk gesteckt.

Im EEPROM sind folgende Werte vorprogrammiert: 
3EE - 3F3 MAC-ADRESSE 
3F4 - 3F7 GATEWAY 
3F8 - 3FB NETMASK 
3FC - 3FF IP-ADRESSE 

==== PC bereits im 192.168.0.0/24 Subnetz ====

In diesem Fall muss man prüfen, ob die IP-Adresse 192.168.0.90 bereits im Subnetz verwendet wird. Ist dies der Fall, muss das verwendete Gerät mit dieser IP vorübergehend aus dem Subnetz entfernt werden. Es sei denn, dabei handelt es sich um den PC. In diesem Fall muss er wie zuvor umkonfiguriert werden. Ansonsten kann der unverändert im Netz verbleiben.

Dem AVR-NET-IO gibt man eine neue, zuvor unbenutzte Adresse (siehe unten). Dann kann das abgekoppelte Gerät wieder angeschlossen werden, beziehungsweise der PC zurückkonfiguriert werden.

=== AVR-NET-IO anschließen ===

Musste man den PC umkonfigurieren, so werden jetzt nur der PC und der AVR-NET-IO über Ethernet miteinander verbunden. Je nach Ethernet-Kabel benötigt man dazu einen Switch/Hub oder nicht.

Musste man den PC nicht umkonfigurieren, so kann man den AVR-NET-IO wie einen normalen Rechner an das vorhandenen Netz anschließen.

Zusätzlich schließt man die serielle Schnittstelle des AVR-NET-IO an den PC an.

=== Firmware 1.03 einspielen ===

Laut Handbuch sollte der AVR-NET-IO jetzt über Ethernet funktionieren. Ebenso sollte er über die serielle Schnittstelle und ein Terminalprogramm konfigurierbar sein. Beides ist offensichtlich im Auslieferungszustand selten der Fall.

Auch wenn sich Pollins NetServer Software nicht mit dem AVR-NET-IO verbinden lässt, so ist sie jedoch in der Lage eine neue Firmware 1.03 einzuspielen. Das Vorgehen ist im Handbuch auf Seite 12 beschrieben. NetServer präsentiert dabei ein paar einfache Anweisungen denen man folgen sollte.

Wenn sich nach dem scheinbar erfolgreichem Einspielen der Firmware, später nichts tut, so sollte die Firmware mit gesetztem "FailSafe" in der mitgelieferten NetServer-Software nochmals Eingespielt werden.

=== Abschluss ===

Jetzt sollte sich die NetServer Software mit dem AVR-NET-IO über Ethernet verbinden lassen. Dies macht es wiederum möglich, den AVR-NET-IO mit einer anderen IP-Adresse zu versehen. Will man den AVR-NET-IO in einem anderen Subnetz betreiben kann man dies jetzt einstellen.

Nachdem man die IP-Adresse neu eingestellt hat, muss man den PC zurückkonfigurieren und kann dann sowohl den AVR-NET-IO und den PC zusammen betreiben.

== Bekannte Fehler ==

Siehe auch [[#Hardware-Umbauten_.26_-Verbesserungen|Hardware-Umbauten und Verbesserungen]] 
Käufer berichten von fehlenden Bauteilen im Bausatz (Wannenstecker, Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten). Für Reklamationen: [https://www.pollin.de/shop/kontakt_service/reklamation.html]

* Die Stückliste auf Seite 4 in den Anleitung mit den Versionsangaben
** ''Stand 20.08.2008, kloiber, #1100, wpe'' (gedruckt im Bausatz)
** ''Stand 20.08.2008, cd, #all, wpe'' (auf der CD)
:ist falsch. Pollin legt dem Bausatz irgendwann ab September 2008 einen gedruckten Korrekturzettel bei. Die Online-Version der Anleitung ist korrigiert.
* Im Schaltplan auf Seite 7 in den Anleitungen mit den Versionen
** ''Stand 20.08.2008, kloiber, #1100, wpe'' (gedruckt im Bausatz)
** ''Stand 20.08.2008, cd, #all, wpe'' (auf der CD)
** ''Stand 03.09.2008, online, #all, wpe'' (Online)
:ist eine 25-polige SUB-D Buchse gezeichnet. Geliefert wird und in der Stückliste verzeichnet ist ein Stecker.

* Die September 2008 ausgelieferte Firmware im ATmega32 funktioniert bei vielen nicht und muss erst upgedatet werden (siehe [[#Inbetriebnahme der Originalsoftware|Inbetriebnahme der Originalsoftware]])

* Im Flash der gelieferten AVR ist anders als beschrieben nur der Bootloader enthalten, die eigentliche Firmware muss erst mit Hilfe der Updatefunktion geladen werden. Wenn zusätzlich auch die Fuses falsch gebrannt sind, dann funktioniert das Update nicht, auch wenn das PC Programm was anderes behauptet.

* Die Fuse-Einstellungen des ausgelieferten ATmega32 entspricht nicht der Anleitung (siehe [[#Inbetriebnahme der Originalsoftware|Inbetriebnahme der Originalsoftware]])

* Bausatz, gekauft am 27.10.08, Anleitungsversion 19.09.08, ohne Probleme oder erkennbare Fehler zusammengebaut und in Betrieb genommen.

* Bausatz gekauft 29.09.2008, Pinbelegung des 25 poligen D-Sub "Anschlusses" stimmt nicht mit der Anleitung überein. Der Aufdruck auf der Platine ist falsch. Pin1 <-> Pin13, Pin2 <-> Pin12 usw. Setzt man den D-Sub Stecker ein, so sind dessen Pinnummern korrekt. Bei einem Bausatz gekauft 10/2010 ist dies ebenfalls noch der Fall.

* 3 Bausätze Anf. Oktober 2008 gekauft, bei einem waren 2 LM317 dabei, dafür fehlte der 7805 - aus der Bastelkiste ersetzt. Alle haben jedoch auf Anhieb funktioniert

* Bausatz gekauft Ende Januar 2009. Die Lock-Bits (u.a. für PonyProg2000) werden falsch beschrieben. Die in Klammern aufgeführten Werte stimmen bei einem Bit nicht. Die Texte "Programmiert/Unprogrammiert" hingegen schon. Bei den Bauteilen gab es 4 Kondensatoren mit der Aufschrift "220", ich habe diese durch welche mit 22p ersetzt, da ich nicht sicher war ob wirklich 22p geliefert wurden. Dafür wurden statt einem zwei 7805 und statt einem mindestens vier LM317 mitgeliefert.

* Bausatz geliefert 22.4.2009. Alles vollständig, zusammengebaut, läuft. Software-Version 1.03. Für den oben schon genannten Steckverbinder wurde eine Buchse geliefert. Allerdings stimmen die PIN-Nummern im Schaltplan nicht mit den PIN-Nummern auf der Buchse überein (sie sind gespiegelt), daher liefen die Test-LEDs zunächst nicht.

* Bausatz geliefert 11.7.2009. Spannungsregler LM317T fehlt, grüne statt roter LED. Ein Kondensator 22pF zu viel. LM317T wurde auf Anfrage kostenlos nachgeliefert (27.7.). Inbetriebnahme problemlos.

* Bausatz geliefert 24.7.2009. Ein Quarz 16MHz zu viel, ebenfalls grüne statt rote LED.

* Bausatz geliefert 20.08.2009. Ein Kondensator 22pF zuviel und grüne statt rote LED.

* Bausatz Juli '09 gekauft, grüne statt rote LED

* Bausatz 25.09.09 geliefert, grüne Betriebs-LED, ein ELKO zuviel, Fehler 1µF am MAX232 statt 100nF behoben, richtiger C wird mitgeliefert, Aufbau komplett nach Pollin Anleitung durchgeführt, auf Anhieb fehlerfrei!

* Bausatz 17.10.09 geliefert, grüne Betriebs-LED, zwei 100nF Kondensatoren zu wenig. Aufbau und Inbetriebnahme problemlos.

* Bausatz 21.10.09 gekauft, grüne Betriebs-LED. Aufbau problemlos, RS232 läuft nicht. LAN läuft

* Bausatz Nov. 09 gekauft, grüne LED, alles o.k.

* Bausatz Nov. 09 gekauft, grüne LED, ENC28J60, MAX232 und ATmega32 fehlen, Nachlieferung nach einer Woche

*Bausatz Nov. 09 gekauft,Bauteile komplett.Verbindungsaufbau Seriell klappt erst nach mehreren Versuchen.Problem gelöst:Spannung an MAX und Mega zu niedrig

* Bausatz Dez. 09 gekauft, grüne LED, 100µF Kondensator fehlt, alles o.k.

* Bausatz August 09 gekauft, alle teile da nach Einstellen der fusebits lief alles perfekt

* Bausatz Okt. 09 gekauft, ein 100nF Kondensator und 25MHz Quarz fehlten ... hab beim lokalen Elektronikhändler keinen 25Mhz Grundton Quarz sondern nur im 3. Oberton bekommen aber mit R2.2k parallel zum Quarz schwingt er in der Schaltung schön bei 25Mhz. Mit 1µF am MAX232 funktioniert jetzt auch die RS232.

* 2x Bausatz Feb. 10 gekauft, bei beiden fehlten 7805, L1+L2 je 100µH sowie 4x falscher Wert Kondensator an Max232 vorhanden. Fehlende Bauteile nachgelötet und Funktion getestet. Hat alles einwandfrei funktioniert!!!

* Bausatz März. 10 gekauft, RS232 Printbuchse fehlt, dafür 1x 10pol Wannenstecker zuviel. Grüne LED statt Rot. Funktioniert ansonsten einwandfrei.

* Bausatz Jan. 10 gekauft, gelbe LED statt rot, C14...C17: 10µF, weder seriell noch via Ethernet Konnektivität. Nach Austausch von C14-C17 gegen 1µF, wenigstens serielle Kontaktaufnahme möglich, kein Ethernet auch nach Flash von 1.03 mit NetServer.

* Bausatz Feb. 10 gekauft, Spannungsregler LM317T fehlte

* Bausatz März 10 gekauft, gelbe statt rote LED geliefert, aber Aufbau und inbetriebnahme lt. Handbuch ohne Probleme

* Bausatz März 10 gekauft und gelbe statt rote LED geliefert, funzt wunderbar gemäß Anleitung

* Fertig gelötete Platine gekauft. µC war falsch im Sockel.

* Bausatz April 10 gekauft und gelbe statt rote LED geliefert, ADM232LJN statt MAX232 - Funktion erst nach Ersetzung des ADM durch nen MAX

* Bausatz April 10 gekauft und gelbe statt rote LED geliefert, ADM232LJN statt MAX232 - funktionierte sofort auch mit dem ADM232LJN.

* Bausatz April 10 gekauft wurde mit grüner statt roter LED Ausgeliefert

* Bausatz Juni 10 gekauft: wurde mit grüner statt roter Netz-LED ausgeliefert, 2x 22pF Kerko zuviel

* Bausatz August 10 gekauft: komplett und sofort funktioniert
* Bausatz Juli 10 gekauft: 2 Quarze mit 16 MHz geliefert, statt 1x 16MHz und 1x25MHz.
* Bausatz September 10 gekauft: hat sofort funktioniert. 1x 3,3k und 1x 10k Widerstand zuviel. Statt 100nF Kondensatoren wurden 1µF geliefert -> Platzprobleme auf der Platine durch grössere Bauform. LED grün.
* Bausatz Oktober 6 gekauft: alles funktioniert. LED grün statt rot.

* Fertigmodul Oktober 10 gekauft: Auf Anhieb alles funktioniert!
* Bausatz Oktober 10 gekauft: komplett und sofort funktioniert

* Bausatz November 10 gekauft: komplett und sofort funktioniert (sogar mit der neusten Pollin Firmware 1.03 schon drauf) LED grün statt rot.

* Bausatz November 10 gekauft. Nach Bezug neuer Feinst-Lötspitzen konnte ich ihn dann auch zusammenlöten. Es hat sofort alles funktioniert, obwohl ich nur 12V bzw. 9V Gleichspannung zur Verfügung hatte, und nicht sicher war, wieviel die Komponenten wirklich benötigen. Der Regler wird auch bei 9V Gleichspannungsversorgung noch sehr warm. Da muss auf jeden Fall ein Kühlkörper dran! Ich habe auch eine grüne LED bekommen, ist mir aber wurscht :-)

* Bausatz Dezember 10 gekauft: komplett und funktionierte sofort. Firmware 1.03, grüne LED (Ein Quarz und ein IC-Sockel zu viel)

*Bausatz Januar 2011 gekauft: nur genau die richtige Anzahl Teile dabei, Firmware 1.03, grüne LED, ging auf Anhieb

* 2x Bausatz Januar 2011 gekauft: beide grüne LED, und 1x doppelter Satz Jumper/Stiftleiste, 22PF und Anschlussklemmen. Rest vollständig und beide haben sofort nach zusammenbau funktioniert.

* Februar 2011: AVR-NET-IO: die Diode D5 fehlt, 10 µF gegen 1 µF für MAX232 getauscht, Flash im ATmega32 war programmiert, passende IP-Adr über serielle Schnittstelle eingestellt; ADD-ON: für R1 war 22Ω statt 0,2Ω beigelegt, durch richtigen ersetzt, Beschreibung der LED Bestückung mangelhaft / oe1smc

* Februar 2011: AVR-NET-IO: 1 Diode zuviel, 2 Spulen fehlen, LED grün. Die fehlenden Spulen wurden durch welche aus der Bastelkiste ersetzt - funktioniert. Der 7805 bekam einen kleinen Kühlkörper spendiert.

* Februar 2011: AVR-NET-IO: 2x 10k Widerstände fehlen. Dafür eine Diode zu viel.

* Ende Februar 2011: Zwei Bausaetze an jeweils zwei Adressen, alles in Ordnung.

* Ende März 2011: 2x 25 Mhz Quarz statt 1x16 u. 1x25 Mhz. LED fehlt. Bausatz funktioniert nach Tausch des Quarz den mir mein Freund oe9rsv aus seinem Fundus spendiert hat. Danke auch für die Hilfe beim Fehler suchen.

* Mitte 2010 gekauft: 1x 100nF fehlt

* Mitte Juni 2011: Beide Quarze fehlen und beide Spannungsregler fehlen, Pollin wollte, dass ich das ganze Paket zurückschicke für einen Austausch. Ein 51Ω zu viel. 16Mhz im Handel und 25Mhz vom alten Mobo ausgelötet. Läuft wunderbar.

* Anfang Juni 2011: Beide Quarze fehlen und beide Spannungsregler fehlen, nach kurzer Mail an Pollin (leider ohne Antwort) wurden diese nach ca. 1 Woche in einem Brief nachgeliefert.

* August 2011: alles 1a...
* August 2011: Platine fehlte -> in Nachlieferung
* 30 August 2011: alles 1a...
* 06 Sep. 2011: alles 1a...
* August 2011: 6 Stück bestellt, bei einem haben die 100nF Kondensatoren gefehlt, bei einem zwei LM317 statt 7805 und LM317. Angerufen, 3 Tage später Nachlieferung erhalten.
* Nov. 2011: '''Net_IO''' vollständig. Einspielen der Firmware 1.03 war erforderlich. Bei '''Add-On''' immer noch falscher Q1 BC548 (NPN) in Stückliste und Lieferung. BC327-40 oder BC328-40 (PNP) nachgefordert. R11 und R24 mitgeliefert entsprechend Beschreibung V1.1 von Pollin's Download. Beiliegende Beschreibung war älter, ohne diese Widerstände.

* Ende Nov.2011, alle Teile dabei, Firmware war drauf, sofort funktioniert.

* Anfang Dez.2011, komplett bestückte Platine gekauft. Auf 7805 Kühlkörper gebaut da er nach 1Minute schon ausgestiegen ist (LED hat das Pumpen angefangen). Firmware 1.03 musste noch aufgespielt werden danach funktioniert alles einwandfrei. In betrieb mit 10V DC
* Ende Dez.2011 2xNET-IO und 2xADD bestellt 4 verschieden volle Kisten bekommen... WSL16 ist mit verriegelung geht nicht aufs board jumper fehlen spannungsregler doppelt potti löcher zu klein lsb3 fehlt sd-slot hab ich jetzt 3 100nF hab ich jetzt 4 übrig ... also immnoch lustig HW stand immernoch 1.0 ( gab es überhaupt eine 1.1?)

* Mitte Jan. 2012, 10pol. beide Wannenstecker nicht dabei, Firmware war drauf, sofort funktioniert. 1 LED zuviel. Unproblematische Nachlieferung bei Reklamation (wegen der beiden Wannenstecker kam ein PAKET!).

* Ende Feb. 2012, Um die PHP-Scripte über öffentlichen Webserver zu betreiben muss mit SETGW die Gateway-Adresse des lokalen Routers eingetragen werden. Bei der NAT im Router sollte z.B. Port 8080 auf den internen Port 50290 umgeleitet werden, da manche Provider diesen Port für die Socket-Kommunikation nicht zulassen.

*Juli 2012, Bausatz vollständig, Nach Aufbau sofort den 7805 mit einem kleinen Kühlkörper versehen, da er sonst thermisch überlastet wird! hat weder auf LAN noch RS232 reagiert, musste erst Update einspielen (Download Pollin), danach funktionierte alles einwandfrei!

== Andere Software für den Client-PC ==
=== NetIOLib ===

In C# geschriebene Bibliothek zur Ansteuerung der Platine im Orginalzustand. Inkl. Beispielsoftware und Quellcode (GNU GPL)

Links gehen nicht:
DLL: [http://www.tware.org/downloads/NetIOLib_dll.zip Download-Link]
Source: [http://www.tware.org/downloads/NetIOLib_src.zip Download-Link]

=== ControlIO ===
Einfache Bibliothek zur Ansteuerung mit Originalfirmware.
http://www.mikrocontroller.net/topic/149695

=== JAVA Lib ===
Einfache Java-Bibliothek zur Ansteuerung mit Originalfirmware.
http://son.ffdf-clan.de/?path=forumsthread&threadid=611

=== PHP ===
PHP Klasse zur Ansteuerung mit der Originalfirmware. (Opensource Lizenz)
http://blog.coldtobi.de/1_coldtobis_blog/archive/298_pollin_net-io_php_library.html

PHP Funktionen zum Ansteuern der Originalfirmware. (Free for All Lizenz)
http://defcon-cc.dyndns.org/projects/mikrocontroller/netio.php

== Clients für Smartphones ==

=== App NetIO (Windows Phone 7) ===
Frei verfügbare App für Windows Mobile zur Ansteuerung mit der Orginalsoftware. Das HTC HD2 wird damit zur Fernsteuerung für das AVR Net-IO Board.
http://www.heesch.net/netio.aspx

=== NET-IO Control (Android) ===
Eine Application für das Android Betriebssystem zur Steuerung des AVR Net-IO Boards. Es ist möglich, alle Ausgänge zu steuern und alle Eingänge anzuzeigen. Die Analogen Eingänge können mit einem Berechnungsfaktor versehen werden. ''Geplant ist noch ein Offsetwert.'' Außerdem kann jedem analogen Wert eine Einheit zugeordnet werden. Die Ausgänge können in der neusten Version in einen Tastermodus gesetzt werden.

[[Datei:NET-IO-Control.png|200px]] [[Datei:NET-IO-Control2.png|200px]] [[Datei:NET-IO-Control3.png|200px]]

'''Trail-Version: [https://play.google.com/store/apps/details?id=de.android.AVR.NETIOControlTRAIL Google-Play]'''

(In der Trail können nur 1 Output und 2 Inputs gesteuert werden)

'''Vollversion: [https://play.google.com/store/apps/details?id=de.android.AVR.NETIOControl Google-Play]'''

(Kostet im Google-Play 3,00 €)

Weitere Informationen sind auf der Entwickler-Seite zu finden: [http://elektronik2000.de/ Elektronik2000.de]

=== NetIO ( iPhone & Android ) ===
<div style='float: right'>
[[Datei:NetIO_Screenshot1.png|190px]]
[[Datei:Netio_app1.png|190px]]
</div>
Schöne (aber leider teure) universelle Fernbedienung für das Board (iOS / Android) . Konfigurierbar über einen Online Editor. 
AppStore Link: http://itunes.apple.com/app/netio/id464924297?mt=8 
Google Play Link: https://play.google.com/store/apps/details?id=com.luvago.netio 
Die gleiche Konfiguration kann auch mit einem [https://github.com/davideickhoff/NetIO-OSX-Dashboard-Widget OSX Widget] benutzt werden. 
Die inzwischen übersichtliche Webseite dazu findet man unter http://netio.davideickhoff.de

Hinweis: Man findet es unter "NetIO" im Store, im Icon selbst und in iTunes wird es als "Controller" angezeigt. 
Den JSON (JavaScriptObjectNotation) Code kann man im [http://jsonlint.com/ JSONLint Validator] prüfen. 
Die eigene Konfiguration kann man mit dem [http://netio.davideickhoff.de/editor2 Online Editor] vorher am PC erstellen.

 

 
<div style='clear: both'></div>

=== AVR Net IO (iPhone) ===
[[Datei:AVRNetIO-Screenshot1.png|160px|rechts]]
Update 15.12.2011: Die Neue Version 1.3 ist seit gestern im AppStore. Fehlerkorrekturen und ein robusteres Handling machen die App nun zur universellen AVR-Net-IO-Steuerung.

Mit der [http://itunes.apple.com/de/app/avr-net-io/id460991760?mt=8 iPhone App AVR-Net-IO] kann das Board ferngesteuert werden. Die Fernsteuerung umfasst in der Version 1.1 folgende Funktionen: <ul>
<li>ADC-Werte zyklisch auslesen und darstellen</li>
<li>Digital-Inputs zyklisch darstellen</li>
<li>Digital-Outputs können über Buttons geschaltet werden. Die Werte der Digital-Outputs werden zuerst ausgelesen und zeigen den zuletzt gesetzten Wert an.</li>
<li>Terminal-Modus: Hier können beliebige AVR-Net-IO-Befehle eingegeben werden. Das Ergebnis wird 1:1 angezeigt, wie es vom Board kommt. Hilfreich für Tests bei Eigenentwicklungen und Konfigurationen.</li>
</ul>
 
Mehr Infos gibt's dazu direkt von den Entwicklern auf [http://www.facebook.com/pages/AVR-Net-IO/187799687958255?ref=nf AVR-net-IO Facebook-Page] oder direkt auf deren Homepage [http://www.ondics.de/apps/1001/ Homepage].
 
Hinweis: MIt der aktuellen Version 1.1 gibt es noch bei manchen Boards Probleme beim auslesen und anzeigen der ADC- und Digital-Werte. Das Terminal funzt problemlos. Die Entwickler kümmern sich gerade drum und haben einen baldigen Update versprochen.
 

== Andere Software statt der Originalsoftware von Pollin ==

Die Umrüstung auf einen Webserver durch Austausch der Software (und ev. des ATmega32) bietet sich an. Kleiner Hinweis dabei: wenn zum Flashen ein ISP-Adapter verwendet wird, diesen unbedingt vor dem Start der neuen Software abziehen! Der ISP arbeitet nämlich über dieselbe SPI-Schnittstelle über die auch der ENC28J60 angesteuert wird. Ein eventuell noch angeschlossener, wenn auch passiver ISP-Adapter stört diese Kommunikation, d.h. das Programm an sich scheint zu laufen, aber die Ethernet-Schnittstelle funktioniert nicht.

=== E2000 - Logik ===

[[Datei:E2000-Logik-Bedienoberflaeche.jpg|500px|rechts]]

Anwenderfreundliche Logik-Software vom Elektronik2000.de zur Steuerung des AVR-NET-IO. Der ATMEGA32 wird durch einen ATMEGA644 ersetzt und mit der E2000-Firmware beschrieben. Nun ist es mäglich in der E2000-Logik Software eine Logikschalung zu erstellen und diese auf das NET-IO-Board zu übertragen. Dort wird diese Schaltung Simuliert. Dies Funktioniert komplett ohne einen Computer.

Durch ein Erweiterungsboard von Elektronik2000.de ist es auch möglich, das Board ohne Internet laufen zu lassen eine RTC (RealTimeClock) übernimmt dabei die Uhrzeitgesteuerten Funktionen. Auf dieser Erweiterung ist auch ein EEPROM integriert, um Firmware-Updates über Netzwerk einzuspielen (in Zukunft). Diese Erweiterung bietet außerdem die Anbindung an das E2000-Bus-System, durch das es Mäglich ist das AVR-NET-IO-Board durch weitere Ein- und Ausgänge zu erweitern.

Das Designen von Schaltaufgaben wird in diesem Programm grafisch dargestellt, durch das ein einfaches Anpassen seiner Logikschaltungen möglich ist.

Eine Steuerung des E2000-NET-IO ist möglich durch den Intregrieten Webserver, die PC-Software (E2000-NET-IO Control) oder der Androidsoftware. All diese Können gleichzeitig auf das E2000-NET-IO zugreifen und Funktionen ausführen.

Weitere Informationen gibt es auf der Entwicklerseite: [http://www.elektronik2000.de Elektronik2000.de]

=== Bascom Version von Hütti ===

(Quelle: http://bascom-forum.de/index.php/topic,1781.45.html )
dort am Ende der Seite.

=== Ben's Bascom Quellcode ===

(Quelle: http://members.home.nl/bzijlstra/software/examples/enc28j60.htm )

Muss aber für Bascom 1.11.9.3 angepasst werden, siehe Code von Hütti !

=== U. Radigs Webserver ===

Angepasster Sourcecode von U.Radig: http://www.mikrocontroller.net/attachment/40027/Webserver_MEGA32.hex
oder selbst anpassen:
Ändere im File ENC28J60.H
#define ENC28J60_PIN_SS 3
#define ENC28J60_PIN_CS 4
(Quelle: http://www.mikrocontroller.net/topic/109988#988386)

Temporären Dateien (*.d, *,lst,*.o) vorher im Verzeichnis löschen ''make clean'', damit neu compiliert wird.

IP: 192.168.0.99 
User: admin 
Pass: uli1 

Den orginal SourceCode gibt's übrigens hier:http://www.ulrichradig.de/home/index.php/avr/eth_m32_ex

Bei den Fuses BOOTRST ausschalten, da die Software keinen Bootloader enthält.

Wer gerne als Link-LED die grüne nutzen möchte
(U.Radig-Source)

enc28j60.c Zeile 150

"enc28j60_write_phy(ENC28J60_PHY_PHLCON, 0x347A)

Wert 0x347A in 0x374A ändern

(Quelle: http://www.mikrocontroller.net/topic/109988#994943)

IP: 192.168.1.90 
User: admin 
Pass: tim 
Test: http://beitz-online.dyndns.org 
Test: http://pieper-online.dyndns.org 

Weiterentwicklung des Radig-Codes von RoBue: 
- 1-Wire-Unterstützung (Anschlus an PORTA7) 
- PORTA0-3 digitaler Eingang (ein/aus) 
- PORTA4-6 analoger Eingang (0 - 1023) 
- LCD an PORTC 
- Schalten in Abhängigkeit von Temperatur und analogem Wert 
- (Teilweise) Administration über Weboberfläche 
- Erweiterung des cmd-Befehlsatzes für telnet/rs232 
Gedacht ist der Einsatz des AVR-NET-IO-Bausatzes für Heizungs- oder Haussteuerung) 

Test: http://avrboard.eluhost.de/ 

(Quelle: 
http://www.mikrocontroller.net/attachment/43307/AVR-NET-IO_RoBue_V1.3.zip 
http://www.mikrocontroller.net/attachment/44569/AVR-NET-IO_RoBue_V1.4.zip 
http://www.mikrocontroller.net/attachment/46720/AVR-NET-IO_RoBue_1.5-final_hoffentlich_.zip)

Bei der Ver 1.5 sind die Ports PD2+3 fürs 4bit LCD (Ext.) vertauscht ! Gruß B.P

=== Simon Ks Webserver (uip-Stack) ===
Angepasster Sourcecode von Simon K: http://www.mikrocontroller.net/attachment/39939/uWebSrv.zip
IP: 192.168.0.93:8080 
Um diesen Code mit einem Atmega1284P verwenden zu können, muss in der main.c in Zeile 38, "TIMSK" durch "TIMSK1" ersetzt werden.
Die Fusebits für den Atmega1284p ohne Bootloader sind:
lfuse=0xFF, hfuse=0xD9, efuse=0xFF

=== Ethersex Server ===

http://www.ethersex.de - Einfach für atmega32 compilieren und funktioniert.

Oder
[http://www.ethersex.de/firmware-builder/list.cgi hier] ein Firmware Image passend für das Pollin Net-IO mit eingebautem Webserver und Beispieldateien im Flash bauen lassen und flashen (firmware-builder). Einfacher geht´s nimmer. :-)

=== Etherrape Server ===

http://www.lochraster.org/etherrape/

ist in jedem Fall hier auch zu erwähnen zumal es sich beim etherrape um das Ursprungsprojekt von ethersex handelt.
Es scheint aber bei der Weiterentwicklung wenig zu passieren.
Ausführliche Dokumentation findet sich unter http://wiki.lochraster.org/wiki/Etherrape

=== Mini SRCP Server (kommerziell, Closed-Source)===

Damit wird die Platine zu einer Modellbahnsteuerung, die
über das Netzwerkprotokoll SRCP mit verschiedenen Programmen
gesteuert werden kann.

[http://www.7soft.de/de/mini_srcp_server/index.html Infoseite] zur Hardware
und das zugrundeliegende [http://www.der-moba.de/index.php/Digitalprojekt Digitalprojekt].

=== AvrArtNode ===

Hiermit kann die Platine zu einem Art-Net Node werden, mit dem sich ein DMX-Universe über Ethernet übertragen lässt. Basiert auf den Quellen von Ulrich Radig.

Dokumentation: [http://www.dmxcontrol.de/wiki/Art-Net-Node_f%C3%BCr_25_Euro Art-Net-Node für 25 Euro]

=== Webserver von G. Menke ===

Ein Webserver (basierend auf den Sourcen von U. Radig), der so angepasst ist, dass alle Ein- und Ausgänge wie bei der originalen Pollin-Software genutzt werden können (8xDIGOUT, 4xDIGIN, 4xADIN). Der Webserver kann daher direkt auf das Net-IO geladen werden. Im ZIP-File sind ein ReadMe und alle C-Sourcen enthalten. Download:
[http://gm.stream-center.de/webserver/ Webserver mit passender IO]

=== OpenMCP ===

Tolles Projekt, welches viele Features bietet und stabil läuft. Hervorzuheben ist die Übersichtlichkeit der Programmteile/Module und die vielleicht nicht ganz komplette Dokumentation. Man merkt das viel Arbeit und Liebe in diesen Projekt steckt. Herausgekommen ist dabei eine einfach zu handhabende Entwicklungsumgebung. Anfänger können, dank des gut durchdachten CGI-System welches sich um alle wichtigen Sachen kümmert, leicht eigene CGI implementieren. Alle Ausgaben erfolgen nur mit printf über die Standardausgabe und werden automatisch richtig per Netzwerk übertragen, dadurch ist es auch für den Anfänger recht gut geeignet, da man sich nicht mit der Netzwerkprogrammierung auseinander setzen muss.

Die Software belegt im Moment (Stand Juli 2010) ca. 55 Kb im Flash, so dass man das Board mit einem grösseren µC (z.B. ATMega644) aufrüsten muss.

[http://wiki.neo-guerillaz.de Projekt und Doku]

Der Autor stellt zwei über das Internet erreichbare Testboards bereit unter http://www.neo-guerillaz.de:81 und http://www.neo-guerillaz.de:82 die beide unter OpenMCP laufen, je auf einen AVR-NETIO mit einem ATmega644 und dem eigentlichen Board mit einem ATmega2561. Zusätzlich ist gerade eine Version für das myAVR in Arbeit die schon ordentlich Fortschritte macht.

=== OpenMLP ===
Auf openMCP basierender Port nach [http://avr.myluna.de LunaAVR] (GPL). Umfangreiche Funktionalität und direkte Anpassung an die Sprache. Abgespeckte Version auch auf Atmega32 lauffähig. Die Original-Dokumentation kann zum Großteil hergenommen werden. Einige Zusatzfeatures. Leichte Konfiguration und guter Einstieg für Anfänger und zum Verständnis der Serverfunktionalität.

[http://avr.myluna.de/doku.php?id=de:openmlp Artikelseite]
[http://forum.myluna.de/viewtopic.php?f=8&t=13 Forum]

=== ENC28J60 I/O-Webserver von Thomas Heldt ===

Ein Modul-Webserver (Softwarekompatibel zum Pollin Webserver), der durch div. Module erweitert werden kann, Software in Bascom basierend auf dem Code von Ben Zijlsta wurde erweitert und angepasst:

[http://mikrocontroller.heldt.eu/index.php?page=enc28j60-io-webserver Projekt und Software]

=== AVR-Netino ===
[http://code.google.com/p/avr-netino/ Projekt und Software]

Arduino fürs Net-IO

== Siehe auch ==
* Diskussion zu diesem Projekt: http://www.mikrocontroller.net/topic/109988
* [http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en022889 ENC28J60 Produktseite]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39662c.pdf ENC28J60 Datenblatt(pdf)]
* [http://son.ffdf-clan.de Forum für AVR-Net-IO]
* [http://avr.myluna.de/doku.php?id=de:openmlp LunaAVR openMLP ]
* [http://bascom-forum.de/index.php/topic,1781.0.html Bascom Forum ]
* [http://hobbyelektronik.org/w/index.php/AVR-NET-IO-Shield Shield für den NET-IO]

[[Category:AVR-Boards]]
[[Category:Ethernet|P]]

CentiPad

2012-05-17T12:38:11Z

Mfgkw: Verweis auf korrigierte Entwicklungsumgebung

http://centipad.de/

Entwicklungsumgebung (Compiler nicht enthalten): http://hg.maintech.de/centidev/

Siehe aber auch: http://www.mikrocontroller.net/topic/197430

== Probleme ==

=== OSS: SNDCTL_DSP_GETOSPACE ===

Der Befehl SNDCTL_DSP_GETOSPACE ist nicht implementiert, gibt fragsize=0 zurück. Dadurch tritt folgender Fehler im Helix Player auf:
HX_ASSERT failed: (m_ulDeviceBufferSize != 0)... File platform/unix/audUnix.cpp, Line 276

Als Workaround kann man die Buffergröße auf einen festen Wert setzen (audio/device/platform/unix/audlinux_oss.cpp):
<c>
else
{
//We don't have anyway to determine how big the buffer is.
//just guess I guess.
m_ulDeviceBufferSize = 8192*4;
}

// 0 doesn't make sense; guess!
if (m_ulDeviceBufferSize == 0) {
m_ulDeviceBufferSize = 8192*4;
}

#else
m_ulDeviceBufferSize = 8192*4;
#endif
...
</c>

Damit läuft's prinzipiell, klingt aber verwürfelt/abgehackt...

[[Category:ARM]]
[[Kategorie:Entwicklungstools]]

Linksammlung

2012-01-13T04:16:14Z

Mfgkw: /* Text (character-mode) HD44870 */

Auf dieser Seite werden Links zu anderen interessanten Mikrocontroller- und Elektronikseiten gesammelt.
'''
Die alte Linkseite findet man [http://www.mikrocontroller.net/en/links hier].

Hinzufügen von Links:
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== Suchen & Finden ==

''Verkauf einem hungrigen Mann einen Fisch und du hast ein Geschäft gemacht, bring ihm das Angeln bei und du hast einen Kunden verloren! (asmo)''

* [http://www.supplyframe.com/ SupplyFrame] - Datasheet and Electronic Spec Search Engine
* [http://www.globalspec.com/ GlobalSpec] - The Engineering Search Engine
* [http://www.alldatasheet.com/ alldatasheet] - Datasheet Search
* [http://www.datasheetarchive.com/ datasheetarchive] - Datasheet Search
* [http://www.datasheetcatalog.com/ datasheetcatalog] - Datasheet Search
* [http://www.msarnoff.org/chipdb/ ChipDB] - Pinouts von gängigen µCs.


== [[AVR]] ==

=== Herstellerseiten ===

* [http://www.atmel.com/products/avr/ Atmel.com] Herstellerseiten
* [http://www.atmel.com/dyn/products/product_whatchanged.asp?category_id=163&family_id=607 Atmel.com updates] Liste der letzten Änderungen in Datenblättern und Beispielcode für AVR(8) und AVR32
* [http://www.msc-ge.com/de/produkte/elekom/mc/atmel/avr_start.html AVR Produktinfos] AVR Infos vom Atmel Distributor MSC Vertriebs GmbH

=== Information (Foren, Mailinglisten, Linksammlungen) ===
* [http://progforum.com Batronix Elektronik Forum] Gut besuchtes Forum für allgemeine Elektronik, Mikrocontroller und Programmierung
* [http://www.avrfreaks.net/ AVR Freaks] AVR Forum, Samples, Tutorials, User-Projekte, GCC für AVR (Registrierung empfohlen)
* [http://avr-asm.tripod.com Atmel AVR ASM Site]
* [http://www.mikrocontroller.net Mikrocontroller.net] - AVR Tutorials, Examples, LINKS, Forum (D)


* [http://www.ipass.net/hammill/newavr.htm Atmel AVR Embedded Microcontroller Resources]
* [http://members.tripod.com/Stelios_Cellar/AVR/AVR%20Info.html Stelios Cellar Atmel AVR Info Page] - Samples, Links
* [http://www.elektronik-projekt.de Elektronik Projekt] - Hauptthemen sind AVR und Roboter


* [http://popularmicrocontrollers.com/ AVR Microcontrollers] - A web site about AVR microcontrollers


=== Entwicklungswerkzeuge (Compiler/Assembler/Debugger/Tools/Libraries) ===

==== C ====
* [http://sourceforge.net/projects/winavr WinAVR] (pronounced "whenever") is a suite of executable, open source software development tools for the Atmel AVR series [for the] Windows platform" (includes GNU GCC)
* [http://sourceforge.net/projects/kontrollerlab KontrollerLab] is a free GPL open-source development environment based on KDE, using the avr-gcc, UISP and AVRDUDE
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/ avr-libc] avr-gcc's "standard"-library

* [http://hubbard.engr.scu.edu/embedded/avr/avrlib/ Procyon AVRlib] a lot of device drivers and Visual-Studio link for avr-gcc
* [http://rod.info/avr.html rod.info on AVR] esp. for AVR GNU development tools setup under Linux
* [http://www.sisy.de SiSy AVR] - graphische Entwicklungsumgebung mit C/C++ Codegenerierung aus Struktogrammen und Klassendiagrammen
* [http://shop.embedit.de/product__206.php AtmanAVR C/C++ IDE]
* [http://www.iar.com IAR Embedded Workbench]
* [http://www.hpinfotech.com CodeVisionAVR] C-Compiler für AVRs mit Terminal
* [http://www.myAVR.de myAVRWorkpad] kompakte Entwicklungsumgebung für AVRs mit Terminal
* [http://www.amctools.com/vmlab.htm VMLab] komplette IDE mit Debugger und Simulator (auch Peripheriehardware)
* [http://www.forestmoon.com/Software/AvrIoDesigner/ AVR IO Designer] is a utility to generate initialization source code in C/C++ for the various devices, ports and registers of Atmel AVR processors. The intent is to allow the user to explore the devices specific to a selected processor and experiment with settings thru a user interface that assists in understanding the complexities involved. The user can also assign custom variable names to PORT IO pins thereby keeping track of the IO resources in use. These names are emitted in the generated code for use in the user’s program. (Windows .NET 2.0 erforderlich)
* [http://www.piconomic.co.za/avrlib/index.html Piconomic AVRLIB] is a collection of firmware for Atmel AVR microcontrollers. The aim is to share source code, experience and expertise (in the eye of the beholder) with the community of engineers, scientists and enthusiasts.
* [http://www.imagecraft.com/devtools_AVR.html Imagecraft] Der ICCAVR C Compiler fuer AVR von Imagecraft.

==== Assembler ====

* [http://avr-asm.tripod.com Atmel AVR ASM Site]
* [http://www.tavrasm.org/ tavrasm] - Toms Linux (Atmel) AVR Assembler
* [http://www.avr-asm-tutorial.net/gavrasm/index_de.html gavrasm] - Gerds Linux/Win/DOS AVR Assembler
* [http://avra.sourceforge.net/ avra] - avra ATMEL AVR Assembler für Linux, FreeBSD, AmigaOS und Win32
* [http://algrom.net/english.html Algorithm Builder] - graphische Makro-Assembler Entwicklungsumgebung
* [http://www.sisy.de SiSy AVR] - graphische Entwicklungsumgebung mit Assembler Codegenerierung aus Programmablaufplänen
* [http://www.sbprojects.com/sbasm/sbasm.htm SB-Assembler] - Freeware Cross-Assembler unter DOS. (6502, 6800, 6801, 6804, 6805, 6809, 68HC08, 68HC11, Z8, Z80, Z180, 8080, 8085, 8021, 8041, 8048, 8051, AVR, PIC1684,...)
* [http://www.myAVR.de myAVRWorkpad] kompakte Entwicklungsumgebung für AVRs mit Terminal
* [http://john.ccac.rwth-aachen.de:8000/as/ Macro Assembler AS] - AS is a portable macro cross assembler for a variety of microprocessors and -controllers
* [http://shop-pdp.kent.edu/ashtml/asxxxx.htm ASxxxx Cross Assemblers] - The ASxxxx assemblers are a series of microprocessor assemblers written in the C programming language. (1802, S2650, C/MP, MSP430, 61860, 6500, 6800(6802/6808), 6801(6803/HD6303), 6804, 6805, 68HC(S)08, 6809, 68HC11, 68HC(S)12, 68HC16, 740, 8048(8041/8022/8021) 8051, 8085(8080), DS8xCxxx, AVR, Z80, F2MC8L/FX, GameBoy(Z80), H8/3xx, Cypress PSoC(M8C), PIC, Rabbit 2000/3000, Z8, Z80(HD64180)) linux & windows, source code

==== Disassembler ====

* [http://www.datarescue.com/idabase/ IDA-Pro] -Disassembler und Debugger für fast alle bekannten Prozessoren. Evaluation Version verfügbar. Tagline: ''The most advanced tool for Hostile Code Analysis, Vulnerability and Software Reverse Engineering''
* [http://www.jassenbaum.de/ja-tools/ ReAVR] - Disassembler und ACXutility Binary Tool
* [http://www.visi.com/~dwinker/revava/ revava] - Disassembler
* [http://dev.frozeneskimo.com/software_projects/vavrdisasm vAVRdisasm] - Free AVR Disassembler
* [http://www.johannes-bauer.com/mcus/avrdisas/ avrdisas] - AVR Mikrocontroller Disassembler für Linux (und Win32)


==== BASIC ====
* [http://www.mcselec.com/bascom-avr.htm Bascom AVR]
* [http://www.fastavr.com FastAVR] - und mit 'ASM' Ausgabe, Nokia3310 LCD Unterstützung
* [http://www.nettypes.de/mbasic mikrocontrollerBASIC Freeware] - mit Simulator für ATmega32, ATmega128 und C-CONTROL.
* [http://www.mikroe.com/en/compilers/mikrobasic/avr/ mikroBasic] - Comprehensive, stand-alone Basic compiler for AVR microcontrollers
* [http://home.arcor.de/EDAconsult/Page3/index.html?c~3.1 MCS BASIC-52] - Original-Übersetzung 1988 INTEL MCS BASIC-52 USERS MANUAL 220 Seiten frei Download als PDF
* [http://www.DieProjektseite.de Beetle-Basic] Leistungsfähiges Basic-Betriebssystem im AVR.
* [http://www.mikrocontroller.net/articles/AVR_BASIC AVR_BASIC] Open Source Freeware: Minimalistischer Basic-Interpreter im AVR.
* [http://gcbasic.sourceforge.net/ Great Cow BASIC] "Open Source BASIC programming tools for Microchip PIC and Atmel AVR microcontrollers"

==== Pascal ====
* [http://www.e-lab.de AVRco Pascal Compiler] - AVR Pascal Compiler mit umfangreicher Funktionslibrary
* [http://www.mikroe.com/en/compilers/mikropascal/avr/ mikroPascal] - Comprehensive, stand-alone Pascal compiler for AVR microcontrollers

==== Forth ====
* [http://www.robo-forth.de www.robo-forth.de] - AVR Forth Compiler mit umfangreicher Funktionslibrary für Servos, Motore und Sensoren
* [http://amforth.sourceforge.net/ amforth] - Forth for Atmel ATmega micro controllers von Matthias Trute. [http://www.mikrocontroller.net/topic/55807#430816 Diskussion]

==== Java ====
* [http://www.harbaum.org/till/nanovm NanoVM] - Java VM für AVR-Mikrocontroller ([[NanoVM|deutsches Wiki]])
* [http://www.fam-frenz.de/stefan/compiler.html SJC] - Java-Compiler (erzeugt AVR-Maschinencode) für AVR-Mikrocontroller ([[SJC]])

==== Ada ====
* [http://avr-ada.sourceforge.net/ AVR-Ada] - Ada Compiler innerhalb von GCC (GNAT) für AVR. Enthält eine kleine Laufzeitbibliothek ohne Tasking und ohne Exceptions. [http://www.mikrocontroller.net/topic/168823#1614208]

==== Virgil ====
* [http://compilers.cs.ucla.edu/virgil/index.html The Virgil Programming Language] is designed for building robust, flexible, and scalable software systems on embedded hardware platforms. Virgil builds on ideas from object-oriented, statically typed languages like Java, providing a clean, consistent source language. Its compiler system provides an efficient implementation for resource-constrained environments.

==== LabVIEW ====
* http://www.ni.com/embedded/ Informationen zu LabVIEW, der graphischen Entwicklungsumgebung von National Instruments
* http://www.labviewforum.de/ Deutsches Labview-Forum
* [http://web.me.com/iklln6/automation/LabVIEW.html Communicating Arduino-->LabVIEW]

==== Python ====
* [http://code.google.com/p/python-on-a-chip/ python-on-a-chip] (pymite). There are two sample projects in the source tree. One for an 8-bit Atmel ATmega103 (but any AVR/ATmega with 4 KB RAM or more will do) and one for the 32-bit Atmel AT91SAM7S64 running on the AT91SAM7S-EK evaluation board. (GPL Lizenz)

==== Openeye ====

* OpenEye ist eine Kombination aus PC-Programm (Windows, Delphi) und einer Monitor-Routine im AVR. Die Daten aus dem AVR werden mit RS232 übertragen und können fürs Debuggen der laufenden Anwendung benutzt werden. OpenEye wurde vom User Martin Vogel (oldmax) geschrieben [http://www.mikrocontroller.net/topic/143144#1326244].

==== Modkit ====

[http://blog.modk.it/ Modkit] is a new kind of graphical programming environment that makes programming things in the physical world as easy as dragging and dropping little virtual code blocks in a web browser.. Heavily inspired by the Scratch programming environment (from MIT Media Lab's Lifelong Kindergarten Group), Modkit enables anyone including kids, artists and inventors to build with electronic kits and components including motors, sensors, lights, sound and the popular Arduino and Arduino compatible development boards... (Text vom Makezine)

=== Tutorials und Beispiele ===

* [http://www.meinemullemaus.de/elektronik/avr_workshop/index.html AVR Mikrocontroller] Einfühung in AVR Mikrocontroller mit Nachbau des Spiels "Senso".
* [http://www.avrbeginners.net AVRBeginners.net] Beginners Guides to AVRs
* [http://www.wikidorf.de/reintechnisch/Inhalt/AVRProjekt-9V-LED-Lampe reintechnisch.de] AVR Tutorial: 9V-LED-Lampe
* [http://www.schaltungsforum.de Das Schaltungsforum] ist eine Seite für Anfänger und Profis welche ständig mit Tutorials erweitert wird. Stellt Eure Projekte online. Die Seite befindet noch im Aufbau und Eure Mithilfe ist erwünscht.
* [http://www.mikrocontrollerspielwiese.de mikrocontrollerspielwiese.de] ist eine Seite, die an Anfänger gerichtet ist und Experimente und fertige Projekte komplett mit Code und Eagle-Dokumenten zur Verfügung stellt.
* [http://www.elo-web.de/elo/mikrocontroller-und-programmierung/avr-anwendungen ELO-AVR-Anwendungen] bietet eine wachsende Sammlung kleinerer AVR-Projekte, überwiegend für die ATTiny-Serie.
* [http://www.schramm-software.de/tipps/ AVR-Tipps] Programmier-Tipps und AVR-Experimente.
* [http://www.uwe-kerwien.de/pll/pll-synthesizer.htm PLL-Synthesizer Tutorial] kleines praxisorientiertes PLL-Tutorial zur Funktion, Reparatur und Steuerung einer PLL-Schaltung mit AVR ATtiny2313 über 3-Leiter-Bus
* Arduino
** [http://tronixstuff.wordpress.com/tutorials/ t r o n i x s t u f f] - Arduino Tutorials (engl.)
** [http://www.earthshinedesign.co.uk/ASKManual/Site/ASKManual.html The Complete Beginners Guide to the Arduino]
** [http://www.codeproject.com/KB/system/ArduinoVB.aspx Arduino with Visual Basic] by Carl Morey auf codeproject.com

==== C ====
* [[AVR-GCC-Tutorial]]
* [http://www.smileymicros.com/QuickStartGuide.pdf Quick Start Guide for using the WinAVR Compiler with ATMEL's AVR Butterfly] ([http://www.smileymicros.com www.smileymicros.com], PDF)
* [http://www.avrtutor.com/tutorial/thermo/contents.htm avrtutor] - an attempt to provide a real tutorial for the ATMEL AVR microcontrollers.
* [http://www.sparkfun.com/commerce/present.php?p=BEE-1-PowerSupply Spark Fun Electronics] - Beginning Embedded Electronics (Atmega8, englisch)
* [http://metku.net/index.html?path=articles/microcontroller-part-1/index_eng metku.net] - How to get started with microcontrollers (ATtiny45, Steckbrett)
* [http://www.stromflo.de/dokuwiki/doku.php?id=xmega-c-tutorial XMEGA-C-Tutorial] - Tutorial über Atxmega

==== Assembler ====
* [http://avr-asm.tripod.com Atmel AVR ASM Site]
* [http://www.avr-asm-tutorial.net Atmel AVR Microcontroller Assembler Tutorial] (D)
* [[AVR-Studio]]

==== Bascom ====
* [http://www.mcselec.com/ MCS Elektronik] BASCOM AVR Demo zum Download

==== Pascal ====
* [http://www.elektronik-projekt.de/content/download/avrco_tut2.pdf AVRco Pascal Tutorial] - von Markus
* [http://www.ibrtses.com/embedded/avr.html ein paar Seiten zum AVR] (ASM und Pascal) von ibrt

==== Ada ====
* [http://sourceforge.net/apps/mediawiki/avr-ada/index.php?title=Tutorial AVR-Ada Tutorial]

=== Hardware (Prototypen-Platinen-Boards etc.) ===

* [http://retrodan.tripod.com Atmel AVR Butterfly Site]
* [http://www.kanda.com Kanda] Starter Kits and Development Tools for different Microcontrollers
* [http://www.dontronics.com Dontronics] Starter Kits and Development Tools for different Microcontrollers, Linkpages for AVR and PIC
* [http://www.mikrocontroller.com mikrocontroller.com] u.a. Platine AVR-Ctrl, AVR-Webserver (D)
* [http://mikrocontroller.cco-ev.de/eng/ AVR webserver] RTL8019, 3COM (E)
* [http://www.microcontroller-starterkits.de Microcontroller-Starterkits] Starter Kits for different Microcontrollers (D)
* [http://www.olimex.com Olimex Ltd.] DevelopmentBoards and Tools
* [http://www.krause-robotik.de Krause Robotik] Controller Boards & Zubehör
* [http://www.robotikhardware.de robotikhardware.de] Controller Boards
* [http://www.embedded-it.de/microcontroller/microcontroller-module.php Embedded-IT] USB Module auf AVR Basis sowie Ethernut kompatible Embedded Ethernet Mikrocontroller Boards für Industrie und Hobby auf ARM mit Nut/OS Betriebssystem
* [http://www.ssv-embedded.de SSV Embedded Systems] 32-bit Mikrocontrollermodule und -boards, Starter Kits etc.
* [http://shop.embedit.de/browse_002_21__.php Embedit] Mikrocontrollermodule und -boards
* [http://www.display3000.com Display3000] Farbdisplays, Mikrocontrollermodule und -boards mit TFT-Farbdisplays; Experimentierplatinen und Ansteuerplatinen für TFT Farbdisplays
* [http://www.myavr.de myAVR] Einsteigerboards und Zubehör
* [http://www.siphec.com/ SIPHEC] Development Boards für AVR, MSP430, USB
* [http://www.pollin.de/shop/shop.php?cf=detail.php&pg=OA==&a=MTY5OTgxOTk=&w=OTk4OTY4&ts=0 ATMEL Evaluations-Board Bausatz] ([http://www.pollin.de/shop/downloads/D810038B.PDF PDF]) und [http://www.pollin.de/shop/shop.php?cf=detail.php&pg=OA==&a=MzU5OTgxOTk=&w=OTk4OTY4&ts=0 ATMEL Funk-Evaluations-Board Bausatz] ([http://www.pollin.de/shop/downloads/D810046B.PDF PDF]) von Pollin
* [http://www.lochraster.org/etherrape/ Etherrape] Atmaga 644 mit Ethernet und TCP/IP als Bausatz.
* [http://www.ic-board.de/index.php?cat=c4_Programmer.html AVR Programmieradapter],[http://www.ic-board.de/index.php?cat=c3_Funkmodule.html ZigBee-ready Funkmodule/Funk-USB-Sticks] und [http://www.ic-board.de/index.php?cat=c13_ICradio-Bundles.html Funk Starterkits] von In-Circuit
* [http://www.ic-board.de/index.php?cat=c2_ICnova-Module.html AVR32 AP7000 Linux Board] mit 2xEthernet, TFT, Audio, SDCARD, USB-Host/Devive, Funk...
* [http://www.das-labor.org/wiki/Laborboard Das Laborboard] von das-labor.org (DIY)
* [http://six.media.mit.edu:8080/6 number six] - Open Source Design, Atmega32. Alle Pins sind auf eine 2x20 Pol Wannenstiftleiste herausgeführt.
* http://www.maares.de/tools USB Memory Stick am AVR Butterfly. AVR Butterfly Trägerplatine zum Anschluß von VDRIVE, VMUSIC, RFM12.
* [http://www.wiring.org.co/ Wiring] is an open source programming environment and electronics i/o board for exploring the electronic arts, tangible media, teaching and learning computer programming and prototyping with electronics.
* [http://www.chip45.com/ chip45] Atmel AVR Module und Boards mit USB, RS232/485, CAN, Ethernet, Funkmodule, sowie ISP Programmieradapter.
* [http://www.rakers.de/catalog Dr. Rakers] AVR Boards und Experimentierplatinen mit USB, Ethernet, RS232, CAN, LCD etc. in hochwertiger Qualität zu günstigen Preisen.
* [http://nibo.nicai-systems.de Roboterbausatz Nibo] - autonomer Roboter mit einem ATmega128 und einem ATmega88
* [http://www.aevum-mechatronik.de Modularis] - AVR Mikrocontroller-Boards (z.T. mit Zusatz-Speicher und USB) die über Flachbandkabel erweitert werden können. Es gibt bis jetzt Zubehör-Module mit Taster, Motor H-Brücke, XBee und Winkelsensor.
* [http://www.schramm-software.de/bausatz/ Schramm-Software] - AVR Mikrocontroller-Bausätze
* [http://www.alvidi.de/ Alvidi] - Headerboards mit AVR & AVR32 Controllern
* [http://www.steitec.net/ Steinert Technologies] - Thailändischer Anbieter von Mikrocontroller Boards (AVR, ARM7, ARM9, PIC, dsPIC, PSoC, uvm.)
* Arduino
** [http://www.arduino.cc/ Arduino] Homepage
** [http://www.freeduino.org/ Freeduino.org] - Riesige Linksammlung zu dem '''Ardunio'''(R) AVR-Board (Kit) und dessen Clones und Mutanten (DIY oder Kit)
** [http://www.freeduino.de/ freeduino.de] - Anleitungen und Tutorials, Arduino Wiki, Blog, Tools in Deutsch
** [http://shieldlist.org/ Arduino Shield List]
* [http://www.fritzing.org Fritzing] nützliches Programm für viele Betriebsysteme zur Unterstützung eines Brettboard-Aufbaus(ungetestet).
* [http://www.specialprint.eu Specialprint] InkjetDruck für den digitalen Direktdruck von Ätzmasken, Lötstoppmasken, Frontplatten, Kennzeichnungen
* [http://www.onlinesteuerung.de Onlinesteuerung.de] USB Bausatz. Technische Geräte per PC, Browser, Netzwerk, Ethernet, TCP/IP, Internet, Excel, Timer oder Sensoren schalten.
* [http://8devices.com/product/3/wi-fi-4-things Carambola WiFi module] Open hardware Linux friendly (OpenWRT) WiFi 802.11n OEM module
* [http://www.atxmega-board.de ATxMegaBoard und ATxMegaStick] Entwicklungsboards, zum Einstig in die Welt der ATxMegas

=== Programmierhard- und Software ===
* [http://www.obdev.at/products/avrusb/avrdoper.html AVR-Doper] Einfach nachzubauender, STK500-kompatibler Programmer mit USB-Anschluss. Beherrscht auch HVSP, nicht jedoch HVPP. Open Source.
* [http://www.bsdhome.com/avrdude/ AVRDUDE] AVR ISP-Programmerierwerkzeug für Unix/Linux/BSD und Windows. Kommandozeile [http://sourceforge.net/projects/avrdude-gui/ (oder mit GUI)], AVR Butterfly-Unterstützung
* [http://www.lancos.com/prog.html PonyProg] neben AVR für diverse seriell programmierbare Bauteile (Grafische Nutzeroberfläche und Kommandozeile), siehe auch [[Pony-Prog Tutorial]]
* [http://savannah.nongnu.org/projects/uisp/ uisp] AVR ISP-Programmierwerkzeug für Unix/Linux/BSD und Windows (Kommandozeile)
* [http://www.myplace.nu/avr/yaap/ yaap]
* [http://www.xs4all.nl/~sbolt/e-index.html SP12]
* [http://www.mikrocontroller-projekte.de/Mikrocontroller/AVR-Prog/AVR-Programmer.html AVR910 kompatibler Programmer] mit aktueller, beschleunigter Firmware.
* [http://www.der-hammer.info/hvprog STK500 kompatibler Programmer] als Nachbauprojekt. Siehe auch [[STK500]]
* [http://www.shop.robotikhardware.de/shop/catalog/product_info.php?cPath=73&products_id=41 Preiswerter Standard ISP (STK200 kompatibel)]
* [http://www.siwawi.arubi.uni-kl.de/avr_projects/evertool/ Evertool] kombinierter ISP & [[JTAG]] Programmer (kompatibel zum "original" Atmel AVRISP und Atmel JTAGICE)
* [http://www.olimex.com Olimex] (Bulgarischer Anbieter) Kostengünstig
* [http://www.avr-projekte.de/isp.htm AVR910-USB Programmer] incl. USB-Modul und USB->Seriell Wandler
*[http://www.fischl.de/usbasp/ USBasp] – USB-Programmer bestehend aus ATmega8 (kein spezieller USB-Chip notwendig)
* [http://home.arcor.de/bernhard.michelis Amadeus-USB] - Highspeed-Programmer für PIC18, PIC24, dsPIC30, PIC32, dsPIC33 und AVR. Bietet auch Möglichkeiten zur Fehlersuche.
* [http://www.e-dsp.com Signalgenerator] - Signalgenerator software
* [http://www.piketec.com/products/tpt.php Time Partition Testing (TPT)] - Test-, und Testauswertewerkzeug für eingebettete Systeme
* [http://shop.myavr.de/Programmer.htm?sp=artlist_kat.sp.php&katID=16 mySmartUSB] - USB Programmer (ab 15€) kombiniert auch mit USB-UART-Bridge, STK500v2/AVR910/AVR911 kompatibel, ISP HV-seriell, HV-parallel
* [http://www.shop.robotikhardware.de/shop/catalog/product_info.php?cPath=73&products_id=161 USB-Programmer für Bascom Programmierer]
* [http://www.virtualserialport.com/ Virtual Serial Port] Software for serial port communication and null-modem emulation
* [http://www.helmix.at/hapsim/index.htm HAPSIM graphischer Simulator ] zu graphischen Simulation von Tasten /LED /LCD und Terminal in AVR Studio Freeware !!!
* [http://www.ic-board.de/index.php?cat=c4_Programmer.html AVR Programmieradapter und JTAGICE MKII]
* [http://www.myavr.de/download.php?suchwort=ProgTool myAVR ProgTool] nette Programmieroberfläche (free)
* [http://b9.com/elect/avr/kavrcalc/ KAVRCalc] is a free calculator to assist in programming AVR microcontrollers (Baudrate, Watchdog, Timer, ...)
* [http://www.chip45.com/CrispAVR-USB CrispAVR-USB] STK500 V2 kompatibler ISP Adapter mit USB Schnittstelle für Atmel AVR Mikrocontroller (1,8V-5,5V).
* [http://ucom-ir.nicai-systems.de UCOM-IR] - Programmieradapter mit USB Schnittstelle (AT90USB162) und IR-Sender/Empfänger, STK500 V2 kompatibel
* [http://www.anagate.de/products/programmers.htm AnaGate Programmer] Serielle Programmer mit LAN-Anschluss für I2C und SPI inkl. Programmier-API für Windows/Linux (Shop)
* [http://www.halec.de/roloFlash/?ref=wiki_links.mikrocontroller.net roloFlash] - mobiles Flashgerät ohne PC (standalone), flexibel durch eingebaute Skriptsprache roloBasic

=== Projekte und Quellcodebibliotheken ===

====Bibliotheken====
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/ AVR Libc]
* [http://hubbard.engr.scu.edu/embedded/avr/avrlib/docs/html/index.html Procyon AVRlib]
* [http://homepage.hispeed.ch/peterfleury Peter Fleury's Pages] - UART / LCD (HD44780) / I²C (TWI)/ AVR-GCC Bibliotheken, STK500v2 Bootloader
*[http://sourceforge.net/projects/avrfix Fixed Point Library Based on ISO/IEC Standard DTR 18037 for Atmel AVR microcontrollers, u.a. Cordic-Algorithmen] und [http://www.enti.it.uc3m.es/wises07/presentations/session2/05%20-%20Fixed%20Point%20Library%20According%20to%20ISOIEC%20Standard%20DTR%2018037%20for%20Atmel%20AVR%20ProcessorsWISES07-fixedpointlibrary%20-%20Elmenreich.pdf Kurzbeschreibung dazu als Powerpoint-PDF TU Wien Febr. 2007]

==== Betriebssysteme & Co. ====
* [http://www.tinyos.net/ TinyOS] - Komponentenbasiertes Betriebssystem für Sensorknoten. Bringt eigene C-ähnliche Hochsprache nesC mit.
* [http://www.chris.obyrne.com/yavrtos/ YAVRTOS] - Yet Another Atmel® AVR® Real-Time Operating System von Chris O'Byrne (C, Atmega32, GPL3 Lizenz)
* [http://www.freertos.org/ FreeRTOS] is a portable, open source, mini Real Time Kernel - a free to download and royalty free RTOS that can be used in commercial applications. (AVR, MSP430, PIC, ARM7, ...)
* [http://www.barello.net/avrx/index.htm AvrX Real Time Kernel] (IAR ASM oder IAR/GCC C, GPL2 Lizenz)
* [http://scmrtos.sourceforge.net/ scmRTOS] - Single-Chip Microcontroller Real-Time Operating System (C++, AVR, MSP430, Blackfin, ARM7, FR (Fujitsu, [http://www.opensource.org/licenses/mit-license.php MIT Lizenz]).
* [http://www.circuitcellar.com/avr2004/DA3650.html csRTOS] - cooperative single-stack RTOS aus dem Circuit Cellar AVR 2004 Design Contest. [http://www.avrfreaks.net/index.php?module=Freaks%20Academy&func=viewItem&item_id=987&item_type=project csRTOS port to ATmega32] und [http://www.avrfreaks.net/index.php?name=PNphpBB2&file=viewtopic&t=50743&start=all&postdays=0&postorder=asc Diskussion] auf www.avrfreaks.net führte zur Weiterentwicklung als [http://www.mtcnet.net/~henryvm/4AvrOS/ 4AvrOS] - cooperative scheduler
* [http://www.avrfreaks.net/index.php?module=Freaks%20Academy&func=viewItem&item_type=project&item_id=230 OPEX] - freeware cooperative scheduler with lots of calendar and I/O functions von Steve Childress (Download auf www.avrfreaks.net ggf. Registrierung notwendig)
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/12176#79672 Scheduler] von Peter Dannegger
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/25087#186454 RTC-Scheduler] von ape
* [http://www.sics.se/~adam/pt/ Protothreads] - Lightweight, Stackless Threads in C (open source BSD-style license)
* [http://www.micrium.com/products/rtos/kernel/rtos.html uC/OS-II] is a real time operating system developed by Jean J. Labrosse. You can obtain the source code for the OS by buying Labrosse's excellent book ''MicroC/OS-II The Real-Time Kernel (2nd edition)''. [http://www.ee.lut.fi/staff/Julius.Luukko/ucos-ii/avr/index.shtml Port for AVR (gcc 3.x)] and [http://www.myplace.nu/avr/ucos/index.htm AVR (gcc 2.x)].
* [http://freshmeat.net/projects/qp/ QP] is a lightweight, portable framework/RTOS for embedded systems (ARM, Cortex-M3, 8051, AVR, MSP430, M16C, HC08, NiosII, and x86). GPL (und kommerzielle Lizenz verfügbar)
* [http://www.femtoos.org/ Femto OS] von Ruud Vlaming ist ein preemptives Betriebssystem für die kleinsten Mikrocontroller aus der AVR Serie bis ca. 16 KB ROM und 1 KB RAM. Spezielle Targets sind: ATtiny861/461/261. Geschrieben in C. Freie Software, GPLv3. Artikel in Elektor Februar 2010
* [http://www.projects-lab.com/?p=344 kaOS] is a real-time, multithreaded, preemptive operating system for the ATmega32 microcontroller, which loads and executes programs from a Secure Digital or MMC card. Authors Nicholas Clark & Adam Liechty. (Circuit Cellar AVR Wettbewerb 2006)
* [http://helium.sourceforge.net/ Helium] is a minimalistic real-time kernel for the HC(S)08 core by Freescale and Atmel AVR.
* [http://dev.bertos.org/ BeRTOS] is a completely free, open source, real time operating system (RTOS) suitable for embedded platforms. Runs on many microprocessors and microcontrollers, ranging from 8 bits to 32 bits CPUs and even PCs.
* [http://funkos.sourceforge.net/ funkos] Targets: AVR, XMEGA, MSP430, Cortex M3, Open Source
* Vergleich zwischen [http://antipastohw.blogspot.com/2009/11/4-operating-systems-for-arduino.html 4 Operating Systems for the Arduino] auf [http://antipastohw.blogspot.com Liquidware Antipasto]
** '''DuinOS''' by RobotGroup (FreeRTOS Portierung)
** [http://www.skewworks.com/pyxis/ Pyxis OS] by ArduinoWill
** '''ArduinoMacOS''' by Mark
** '''TaOS''' by Ziplock
* [http://atomthreads.com/ Atomthreads] is a free, lightweight, portable, real-time scheduler for embedded systems. (BSD Lizenz)
* [http://www.shift-right.com/xmk/ XMK] (eXtreme Minimal Kernel) ist ein freies Echtzeitbetriebssystem für Mikrocontroller (AVR, H8, R8C, M16C).
* [http://irtos.sourceforge.net/index.html.en iRTOS] is an free Real Time Operating System. The iRTOS kernel is free to download and use under the terms of LGPL. It can be used in commercial applications. iRTOS is designed for tiny 8 bit microconroller chips with little RAM usage. OS can be installed also in 16 and 32 bit processor units.
* [http://sites.google.com/site/cocoosorg/avr-projects/home cocoOS] is a cooperative task scheduler, based on coroutines and it is written in C. (STK500, Atmega16)
* [http://www.DieProjektseite.de BasicBeetle] Basic-Betriebssystem im AVR
* Shells für Arduino:
** [http://biot.com/arsh/ ARSH]
** [http://www.battledroids.net/downloads/avrsh.html AVRSH]
** [http://bitlash.net/wiki/start BITLASH]
** [http://sourceforge.net/projects/fruitshell/ FRUITSHELL]
** [http://www.gisvold.co.uk/~gisvold/drupal/node/1484 BREAKFAST]
* [http://nootropicdesign.com/toolduino/ toolduino] is a simple software tool that lets you easily interact with your Arduino hardware so you can test the circuits you create. Toolduino is written in the [http://processing.org/ Processing] languange and is available for Windows, Mac OS X, and Linux. Toolduino uses the the [http://www.arduino.cc/playground/Interfacing/Processing Arduino library for Processing] to communicate with an Arduino board so you can manipulate output pins and read inputs. The Arduino must be running the [http://firmata.org/wiki/Main_Page Firmata] firmware that comes with the Arduino IDE. (LGPL)
* [http://www.mueller-torres.de/avr.php MOPS] - A small C and Assembly based operating system for the ATMEL AVR® 8-Bit RISC controller family.
* [http://www.hk-businessconsulting.de/rts.htm RTS(Realtime Tasking System)] - Betriebssystemkern mit Echtzeiteigenschaften, Lizenz: EUPL V. 1.1

==== Projektsammlungen ====

* [http://www.DieProjektseite.de Die Elektronik-Projektseite und Heimat des BasicBeetle] Hauptthema ist der BasicBeetle. Ein modularer, leistungsfähiger, in Basic programmierbarer Mikrorechner speziell für Steuerungen. Mit vielen Programmen, Tiipps und Tricks, Informationen...
* [http://www.Happy-Micro.de Happy-Micro.de] Die Internetsite für Hobbyelektroniker, Mikrocontroller-Anwender, Programmierer und alle, die Spaß an Computern und Elektronik haben. Bei Happy-Micro.de steht der Spaß am Entwickeln von Programmen und Schaltungen im Vordergrund. Jeder Benutzer hat die Möglichkeit auch als Autor mitzumachen und seine Schaltungen oder Programme zu veröffentlichen. Freier Bilderdownload für die eigene Homepage. ''(Seite wurde geschlossen!)''
* [http://iwenzo.de Elektronik und Informationen] Wissenswertes aus der Unterhaltungselektronik..
* [http://instruct1.cit.cornell.edu/courses/ee476/FinalProjects/ Cornell University ECE 476 Microcontroller Design Final Projects]
* [http://www.serasidis.gr/ Serasidis Vasilis' AVRsite] u.a. GLCD, SMS, PAL
* [http://www.riccibitti.com Alberto Ricci Bitti] u.a. PAL Video-Interface
* [http://www.ulrichradig.de Mikrocontroller and more] AVR - Projekte (Ethernet, LCD, Relaiskarte usw.) und mehr
* [http://home.arcor.de/burkhard-john/index.html Burkhard John] (D)
* [http://www.avrprojects.net/ AVRmicrocontrollerprojects] u.a. Text-LCD, Schrittmotor, Thermometer
* [http://hem.bredband.net/robinstridh/ Robin Stridh] Rotor-Anzeige, Video-Interface
* [http://www.dertien.dds.nl/content/avrprojects.html dertien.dds.nl AVR-Projects]
* [http://www.microsps.com MicroSPS.com] Grafische Programmierung des AVR mit EAGLE
* [http://www.h-mpeg.de h-mpeg Festplatten mp3 Player] IDE Ansteuerung, IDE Filesystem, LCD Ansteuerung etc. in 8K Code. Quelltext unter GPL
* [http://www.embedtronics.com/ embedtronics.com]
* [http://www.siwawi.arubi.uni-kl.de/avr_projects M. Thomas' AVR Projekte] untern Anderem AVR Butterfly avr-gcc-port, DB101 gcc-port, BC100 gcc-port, Bootloader, Programmier- und Debughardware, Software-UART, DS1820-Lib., experimentelle avrdude-Versionen, AVR und CAN mit MCP2515 
* [http://www.mictronics.de Michaels Electronic Projects] AVR Projekte (EN) - ua. Sony/Becker CD/MD Wechsler Emulator, RDS-Decoder, GPS Infos, OBD J1850 VPW Interface, USB<>CAN Bus Interface. Informationen zu CD Wechsler Protokollen. MP3stick - MP3 Player mit ATmega128, color LCD, SD/MMC Karte und VS1011b
* [http://www.stahlbucht.de/elektronik/node13/ node13] modulares AVR 8515 Projekt: eine Controller-Platine, an die sich weitere Ein-Ausgabemodule (Tastenfeld, LEDs, LCD-Modul) anschliessen lassen
* [http://www.mikrocontroller-projekte.de www.mikrocontroller-projekte.de] Diverse Projekte mit AVR Controllern. AVR910 Programmer, Testboard und Modellbauelektronik
* [http://www.roboternetz.de/phpBB2 Roboternetz-Mikrocontroller Projekte.de] Diverse Projekte mit AVR und anderen Controllern, insbesondere im Bereich Robotik
* [http://www.avr-projekte.de AVR-Projekte.de] Belichtungstimer, FT232RL Schaltungen,LED-Fading über Fernbedienung, HD44780-LCD über USB und Seriell, AVR910-USB Programmer, Basteleien: Ätzmaschine,Kompressor.
* [http://openeeg.sourceforge.net/ openeeg.sourceforge.net] Das OpenEEG Projekt befasst sich mit der Entwicklung eines preiswerten Elektro-Enzephalographie (EEG) Geräts und dessen freier Steuersoftware zur Messung elektrischer Gehirnströme. Sein µPC-Herz ist ein AT90S4433 bzw. ein ATmega8. Ziel sind auch verschiedene EEG Anwendungen z. B. im Bereich mentaler Trainingsmethoden (Neurofeedback).
* [http://www.amateurfunkbasteln.de/ www.amateurfunkbasteln.de] Seite von Michael Wöste (DL1DMW) u.a. CPU-Board mit AT89C2051, AT89C4051 oder AVR AT90S2313, CPU-Board mit Atmel AT90S8535, Experimentierplatine mit ATmega103, Programmer für AT89C2051/AT89C4051, 32-Kanal-Logik-Analysator bis 40 MHz (Entwurf von David L. Jones)
* [http://www.atmel.com/dyn/products/app_notes.asp?family_id=607 Atmel - AVR 8-Bit RISC - Application Notes] Anwendungshinweise und Beispiele vom Hersteller
* [http://www.projects.cappels.org/ Dick Cappels' Project Pages]
* [http://see-by-touch.sourceforge.net/index.html SeebyTouch - Blinden-Seh-Ersatzsystem] Computerbilder fühlen durch ein einfaches Gerät (Bauanleitung) und freier Software (für 10 Betriebssysteme) - eine neue Erfahrung für alle
* [http://www.loetstelle.net www.loetstelle.net] Verschiedene kleinere AVR-Projekte rund um LEDs, z. B. RGB Dimmer, Moodlight. Diverse Elektronikprojekte und Grundlagen
* [http://www.dietmar-weisser.de Selbstbauprojekte Elektronik] kleine Sammlung von Elektronikprojekten zum Thema Leiterplattenfertigung, Hochfrequenztechnik und Mikrocontroller.
* [http://www.myplace.nu/avr/ Jesper's AVR pages] Yampp MP3 Player, Yaap Programmer, DDS mit 2313+R2R, Gitarrentuner, Frequenzzähler.
* [http://www.microsyl.com/ MicroSyl MCU] MP3 Player, MegaLoad, HCLoad, Propeller Clock, Freq Meter, BarCode Reader, Door Bell, OneWire Lib, Text LCD Lib, Graph LCD Lib, Nokia LCD Lib, Led Sign with MMC MemoryCard, Intercom
* [http://www.jeroen.homeunix.net/ http://www.jeroen.homeunix.net/] Aufbau eines elektronischen Rouletts auf basis eines AVRs
* [http://thomaspfeifer.net thomaspfeifer.net] Reflow-Ofen, Laminator-Temperaturregelung, USB-Atmel-Programmer, SMD-Tricks u.v.m.
* [http://www.scienceprog.com Scienceprog - embedded theory and projects] - AVR, ARM theory and projects
* [http://www.iuse.org Hausautomatisierung] - CAN-Bus mit ATmega32-Controllern und Bedienfeldern, Admin-Tools zum Updaten via CAN, Traffic Dumper etc.
* [http://www.myevertool.de AVRSAM] - AT91SAM7S Header Board annährend 100% Pinkompatibel zu den folgenden AVR Mikrocontroller: AT90S8535 / ATMEGA8535 / ATMEGA16 / ATMEGA32
* [http://members.aon.at/hausbus Hausbus Home] - Hausbus-Projekt unter Verwendung von ATmega8, ATtiny13 und ATmega128
* [http://www.thomas-wedemeyer.de/elektronik/AVR/avr-dcf-clock.html AVR-DCF-Clock] - DCF-Uhr mit bunter LED-Anzeige - ATmega8
* [http://www.grasbon.de/genuhr.html GenuhR] - DCF-Funkuhr / Wecker/ Timer mit LED-Punktmatrixanzeige. Das Projekt beschreibt den Aufbau des kompletten Gerätes beginnend beim Schaltplan bis hin zur Montage in ein Gehäuse.
* [http://www.avrguide.com/ AVR Projektsammlung] bei www.avrguide.com
* AVR Synth http://www.elby-designs.com/avrsynth/avrsyn-about.htm http://www.jarek-synth.strona.pl/
* [http://elm-chan.org/he_e.html Electronic Lives Manufacturing] - Aufbauten in Fädeldrahttechnik, tlw. auf Japanisch, aber mit englischen Sourcecodes
* AVR Synthesizer http://www.avrx.se/
* [http://www.wedis-basteleck.de/ Wedis-Basteleck] - Modellbahn DCC-Servo-Zubehördecoder DCC Servo Decoder mit ATmega8 / Servo Differenzierbaugruppe für Modellbau
* http://web.archive.org/web/20050415222337/http://www.hebel23.de/ RDS RADIO: ATMega32, TEA5757, T6963C, TDA7330B in C
* [http://www.gasenzer.dk Analog/Digital and MPU Eletronic Projects] PAL/VGA Terminal, CallerID, Ethernet, Wireless Bridge, LPC2214, AT91RM9200, Sony Unilink Controlled Wireless MP3 Player.
* [http://www.circuitcellar.com/avr2004/ Circuit Cellar AVR Design Contest 2004] mit Projektbeschreibungen
* [http://www.circuitcellar.com/avr2006/ Circuit Cellar AVR Design Contest 2006] mit Projektbeschreibungen
* [http://www.heesch.net/microcontroller.aspx/ Homepage von Stefan Heesch] - AVR Mikrokontroller Projekte, z.B. WLAN und AVR, netzwerkgesteuertes RGB Licht, IDE-Interface, DS1821 Thermometer, Morse-Dekoder u.a.
* [http://www.schaltungsforum.de Das Schaltungsforum] ist eine Seite für Anfänger und Profis welche ständig mit Tutorials erweitert wird. Stellt Eure Projekte online. Die Seite befindet noch im Aufbau und Eure Mithilfe ist erwünscht.
* [http://avrprojekte.de/] Viele Projekte mit LEDs(LED-Matrixen) und AVRs
* [http://arduino.milkcrate.com.au/ little-scale's arduino page]
* [http://www.sebastianweidmann.de www.sebastianweidmann.de] Grundlagen zum Thema Platinen ätzen, Bohren, Durchkontaktierungen und Projekte Tipps/Tricks mit Atmel AVR Microcontrollern
*[http://www.jtronics.de/avr-projekte.html Junghans Electronic Page] u.a Nokia 3310 LCD Ansteuerung in "C"(aktualisiert 2010), TWI/USI, Quadcopter
* [http://www.familie-finke.com/ http://www.familie-finke.com/] Die Website von Thomas Finke mit diversen Elektronikprojekten, wie z.B. STK-LAN (AVR im Netzwerk mit HTTPD, SNMP,...), UV-LED-Belichter, HPGL-Plotter.
* [http://phil-zone.de/ Philips Projektsammlung] Elektronik Projekte (µC,CMOS,Analog,...), Tutorials und nützliche Online-Tools
* [http://www.iuac.res.in/~elab/phoenix/index.html Phoenix] allows you to develop science experiments by connecting sensor / control elements to a computer and access them through software. The project was started by Inter University Accelerator Centre, with the objective of improving the laboratory facilities at Indian Universities, and growing with the support of the user community. Phoenix depends heavily on Python language. The data acquisition, analysis and writing simulation programs to teach science and computation. The hardware design is freely available. The project is based on Free Software tools and the code is distributed under GNU GPL. (Atmega16)
* [http://code.google.com/p/usb-pwm-generator/ USB PWM Generator] Low Cost PWM Generator, über USB Programmierbar. 1Hz - 120khz Duty Cycle 1 - 99 %.

==== Schnittstellen ====
===== TCP/IP =====
* Kostengünstige und schnelle WLAN Anbindung an Mikrocontroller mit Wiz610wi. Bezugsquelle inkl. praktischer Adapterplatine bei: [http://www.shop.display3000.com/elektronikmodule/ethernet-wlan/index.html Display3000]
* [http://www.laskater.com/projects/uipAVR.htm TCP/IP Stack für AVR] mit Realtek RTL8019AS oder Axis AX88796 Netzwerk-Chips (open source für avr-gcc und Imagecraft). Passende Hardware in [http://www.edtp.com/ diesem online-shop]
* [http://www.ethernut.de Ethernut] - AVR based Hardware with Ethernet-Interface, Multithreading OS, Software and Hardwaredesign is free
* [http://www.embedded-it.de/microcontroller/eNet-sam7X.php eNet-sam7X] Embedded Ethernet Modul im DIL64 Format mit kompletten OpenSource Board Support Packake auf Ethernut / Nut/OS Basis. Industrie geeignet
* [http://www.ethersex.de/index.php/Feature_Liste Ethersex] - Trotz des bescheuerten Namens sehr empfehlenswert. Viele flexibel einbindbare Module für diverse Hardware.
* [http://wiki.neo-guerillaz.de OpenMCP] Bekanntes Board auf Basis des ATmega2561 und ENC28j60. Läuft auch auf dem AVR-NETIO und dem myAVR.
* [http://www.cesko.host.sk/IgorPlugUDP/IgorPlug-UDP%20(AVR)_eng.htm IgorPlug-UDP AVR] - Ethernet & UDP/IP in Software implementiert
* [http://members.home.nl/bzijlstra/software/examples/RTL8019as.htm] RTL8019 Bascom
* [http://members.home.nl/bzijlstra/software/examples/RTL8019as.htm AVR und RTL8019]
* [http://avr.auctionant.de/avr-ip-webcam AVR IP Webcam]
* http://mikrocontroller.cco-ev.de/de/webcam.php
* [http://avr.auctionant.de/avrETH1/ avrETH1 - Webserver mit enc28j60 und Webcam-Support]
* [http://www.sics.se/~adam/uip/ uIP-Stack, Teil des Contiki OS]
* [http://www.sics.se/~adam/lwip/ LwIP-Stack]
* [http://www.harbaum.org/till/spi2cf/ WLAN-Implementierung auf Basis einer PRISM-CF-Karte und uIP]
* http://www.circuitcellar.com/AVR2006/winners/DE/AT2581.htm MEGA128(CAN) PCMCIA
* [http://www.ic-board.de/index.php?cat=c2_ICnova-Module.html AVR32 AP7000 Linux Board] mit 2xEthernet, TFT, Audio, SDCARD, USB-Host/Devive, Funk...
* [https://berlin.ccc.de/wiki/AVR-Board_mit_Ethernet AVR-Board mit Ethernet mit dem ENC28J60 von Microchip]
* [http://www.roland-riegel.de/mega-eth/ AVR-Ethernet-Board mit extra SRAM, SD/MMC, USB und zugehöriger Software]

===== CAN =====
* [http://www.canathome.de/ Can@Home] - CAN als "Installationsbus", u.a. mit AVRs (D)
* [http://www.iuse.org/ www.iuse.org] - Hausautomatisierung auf CAN Basis
* [http://www.port.de/ www.port.de] - Professionelle CAN/CANopen Entwicklungswerkzeuge
* [http://can-wiki.info CAN-WIKI] - spezielle Wiki Site für CAN bus (Englisch)
* [[CAN-Bus]] - Eintrag in diesem Wiki
* [[CAN als Hausbus]] - Eintrag in diesem Wiki
* [http://www.canhack.de/ www.canhack.de] - Ein Forum, dass sich mit dem CAN bus im Auto beschäftigt
* [http://www.edevices.lt/ www.edevices.lt ] - USB2CAN inexpensive USB to CAN bus converter

===== USB =====
* [http://www.embedded-it.de/microcontroller/microcontroller-module.php eUSB-162 und eUSB-LCD] - At90USB162 basiertes universelles USB Prototypen / Mikrocontroller Modul und USB Terminal Interface für HD44780 kompatible LCDs auf Basis der Lufa Library
* [http://www.cesko.host.sk/IgorPlugUSB/IgorPlug-USB%20(AVR)_eng.htm Igor-Plug] - USB Device interface in AVR Firmware - no extra Interface IC needed, read the License
* [http://www.obdev.at/products/vusb/index-de.html V-USB] – USB-Implementation in C nach gleichem Prinzip wie Igor-Plug, aber einfacher zu verwenden, GPL-ähnliche Lizenz (Nutzung des Projekts ''erfordert'' Veröffentlichung), englisch kommentierter Code
* [http://www.xs4all.nl/~dicks/avr/usbtiny/ USBTiny] – weitere Software-USB-Implementierung in C; sehr ähnlich AVR-USB; steht aber unter GPL; relativ wenige Beispiele
* MJoy USB Joystick Controller on AVR ATmega8
* [http://www.ime.jku.at/tusb/ TUSB3210-Controller, HID, LIBUSB] Ein Projektseminar, in dem es darum ging, die USB-Schnittstelle des TUSB3210 zu aktivieren und die Daten eines ADC an den PC zu senden. USB-Implementierung für µC und PC.
* [http://www.b-redemann.de Steuern und Messen mit USB - FT232, 245 und 2232] Das aktuelle Buch zu den USB-Controllern von FTDI. Viele Beispielprogramme in C, zwei Projektbeschreibungen: I²C-Bus mit LM75A und ein Web-Projekt. Bauteilesatz und USB-Modul mit dem FT2232 zum schnellen Einstieg in die Thematik. Buch / Teilesatz über Segor oder dieser Seite erhältlich.
* [http://www.eltima.com/products/usb-over-ethernet/ USB to Ethernet Connector] - Share your USB devices via LAN/Internet
* [http://www.ixbat.de Viele kleine USB Projekte] Rund um die Bibliothek usbn2mc http://usbn2mc.berlios.de. Dies ist eine einfache Bibliothek für den USBN9604/03 von National Semiconductor
* [http://www.rahand.eu Mega8D12] - Schritt für Schritt zum virtuellen COM-Port. Ein Einsteiger-Tutorial zur CDC-Klasse mit Schaltung und Firmware (ATmega8 und PDIUSBD12).
* http://www.maares.de/tools USB_ISO: Isolierter Schnittstellenwandler USB auf RS232 (TTL) mit FT232RL und ADUM1402. Galvanische Trennung für das Zielsystem.
* [http://www.embedded24.net USB HID Host Treiber] - USB HID Treiber DLL für Windows (Demo Projekte für Visual Studio 2010 C++, C# und VB).

===== DMX512 =====
* [http://Dworkin-DMX.de Konverter RS232 zum DMX512] Steuerung DMX-fähigen Geräten mit einem PC. Es gibt Low cost Variante zum selber basteln.
* [http://www.hoelscher-hi.de/hendrik/light/profile.htm Hennes Sites] Bauanleitungen für DMX-Dimmerpacks, DMX-Switchpacks, PWM-Controller, ... Tutorial für Senden und Empfangen von DMX-Daten mit AVRs.
* [http://www.lj-skinny-development.de/lj2000/ DMX Lichtanlage im Selbstbau] Projekt für den Selbstbau einer kompletten Lichtanlage zur Steuerung über DMX. Projekt beinhaltet alles was man für den Betrieb einer eigenen Lichtanlage benötigt (Mischpult, Steuersoftware, Dimmer, Scanner mit Iris, Shutter-Dimmer, 2 rotierenden Goborädern, 2 Farbrädern, CMY-Farbmischeinheit, Prisma, Fokus ...).
* [http://digital-enlightenment.de Digital Enlightenment ]Verschiedene DMX-Selbstbauprojekte

===== PS2 =====
* [http://www.avrfreaks.net/index.php?module=Freaks%20Academy&func=viewItem&item_id=1086&item_type=project&timestamp=2007-09-04%2018:34:41 PC keyboard to an AVR]

===== LANC =====
* [http://dsc.ijs.si/3dlancmaster/ 3D LANC Master from Damir Vrancic] is a device which keeps in synchronisation some of Sony camcorders by using LANC (CONTROL-L, ACC) protocol. (Open Hardware + Open Source, Atmega8).
* [http://jochendony.homeip.net/content/view/22/26/ LANC Lib] for AVRGCC. Read and write LANC commands.
* [http://blog.makezine.com/archive/2008/12/controlling_sony_camcorders_with_th.html Controlling Sony camcorders with the Arduino]

===== MMC/SD-Card =====
* [http://www.roland-riegel.de/sd-reader/index.html MMC/SD card reader example application] von Roland Riegel (Atmega8, Atmega168 für FAT16)
* [http://www.captain.at/electronic-atmega-mmc.php MMC Flash] bzw. [http://www.captain.at/electronic-atmega-sd-card.php SD Flash ] Memory Extension für Atmegas von Captain. (Atmega16, Atmega32)
* http://arm.hsz-t.ch MMC, SD, SDHC Kartentreiber für ARM7 Mikrocontroller
* [http://www.mikrocontroller.net/articles/FAT32 Wiki und FAT16/32 Bibliothek für atmega]

==== LC-Displays ====

===== Text (character-mode) HD44780 =====
* [http://jump.to/fleury P.Fleury]
* avrfreaks Projekt 59 (Chris E.) und andere
* Procyon avrlib v. Pascal Slang (GPL)
* Bray
* [http://www.sprut.de/electronic/lcd/index.htm Spruts LCD-Seite]
* [http://elm-chan.org/docs/lcd/lcd3v.html Standard-LCD auf 3V betreiben (eng)]
* [http://www.harbaum.org/till/lcd2usb LCD2USB, LCD mit AVR am USB betreiben]
* [http://www.simon-brenner.ch/projekte/lcd-display 4x40 LCD Projekt, Microchip]

===== Grafik T6963C etc. =====

* http://www.holger-klabunde.de/avr/avrboard.htm#t6963
* [[Projekt T6963-LCD-Ansteuerung]] nur PC, keine Änderung seit Juli 2006
* avrfreaks.net - TOSHIBA_LCD_T6963C, AVR Graphics
* http://www.mikrocontroller.net/topic/48456 C
* http://www.mikrocontroller.net/topic/54563 C
* http://www.mikrocontroller.net/topic/48584 ASM
* [http://passworld.co.jp/ForumMSP430/viewtopic.php?t=47 Grafik LCDs] - 128 x 112 Grayscale für MSP430 und andere uCs.
* http://www.display3000.com/ Farb-TFT-Module inkl. Mikrocontroller (ATMega128; ATMega2561 und AT90CAN128)
* [http://www.tklinux.de/sed1330.html SED1330 an ATMega]. Library für SED 1330 controller an ATmega
In der Codesammlung gibt es auch für andere Controller was.

===== Siemens S55/C60 =====
* [http://www.module.ro/siemens_lcd.html S55-Display Pinbelegung]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/22643 Forumbeitrag]

===== Siemens S65/M65/CX65 =====
* [http://www.superkranz.de/christian/S65_Display/DisplayIndex.html S65-Display] vom Siemens S65/M65/CX65, 132x176 Pixel, 65536 Farben, günstig als Ersatzteil zu bekommen.

===== Nokia 3210/3310 =====
* [http://www.jtronics.de/avr-projekte.html Bibliothek für Nokia 3310 Lcd Ansteuerung in "C" von http://www.jtronics.de - sehr gut (aktualisiert 2010)]
* [http://www.microsyl.com MicroSyl.Com]

* [http://www.deramon.de/nokia3310lcd.php Deramon.de]


===== Nokia 6100 LCD =====

* [http://www.myplace.nu/mp3/download/download.php Yampp 7 Software Download Seite]: Archiv "yampp-7 with colour LCD firmware" enthält avr-gcc/avr-as Routinen für 6100-LCDs mit Philips- oder Epson-Controller (nicht direkt eine "Library")
*[http://www.e-dsp.com/controlling-a-color-graphic-lcd-epson-s1d15g10-controller-with-an-atmel-avr-atmega32l/ S1D15G10]: Routine code für den Epson S1D15G10 Controller
*[http://thomaspfeifer.net/nokia_6100_display.htm Nokia 6100 Display am AVR] Anzeige von RGB-Bildern (für avr-gcc)
*[http://www.optixx.org/ www.optixx.org] Code zur Ansteuerung von Philips und Epson
*[http://www.zipfelmaus.com/nokia6100lcd_en/ http://www.zipfelmaus.com/nokia6100lcd_en/] --> unter Download: Tool zum Konvertieren von BMPs in h-Files zum Ausgeben auf dem Display

===== KS0108 =====
* [http://hubbard.engr.scu.edu/embedded/avr/avrlib Procyon avrlib (GPL)]
* avrfreaks UP
* apetech.de nicht mehr erreichbar http://www.mikrocontroller.net/topic/68316

====GPS====
* http://www.holger-klabunde.de/avr/avrboard.htm#GPSdisplay GPS-Daten auf LCD
* [http://www.geoclub.de/forum57.html www.geoclub.de] - Elektronik beim Geocaching
* [http://passworld.co.jp/ForumMSP430/viewtopic.php?t=22 passworld.co.jp] - Do It Yourself GPS

== [[8051|8051 / MCS51]] ==
* [http://mcu8051ide.sourceforge.net/ MCU 8051 IDE] - MCU 8051 IDE is a new modern graphical IDE for microcontrollers based on 8051. MCU 8051 IDE is noncommercial open-source software for Linux.
* [http://www.rakers.de/catalog Dr. Rakers] Entwicklungssystem mit C-Compiler, BASIC-Compiler und Makroassembler für alle 8051-Mikrocontroller (80C552, 80C515(C), 80C537). Auch für Hobbyisten bezahlbar.
* [http://www.progshop.com/versand/software/prog-studio/index.html Prog-Studio] - Moderne Assembler Entwicklungsumgebung für 8051 Mikrocontroller mit Debugger, Edit & Continue, Code-Folding, Intelli-Sense, Monitorung und mehr
* [http://www.yCModule.de yCModule: µController-Systeme] - Preisgünstige µController-Module, ISP-Programmiertools und Applikationsboards
* [http://www.erikbuchmann.de/ Erik Buchmanns Mikrocontroller-Seite] - Assemblerkurs und mehrere Projekte
* [http://www.holger-klabunde.de/projects/8051.htm Experimentierboard für 8051 Controller] von Holger Klabunde.
* [http://www.woe.de.vu/ World Of Electronics] - Projekte mit den 8051-Controllern von Atmel
* [http://www.thomas-wedemeyer.de/elektronik/8051/8051.html Controllerplatine mit SAB80C535]
* [http://www.maxim.ph.tc Selbstbau-Programmer] für 2051er
* [http://www.nomad.ee/micros/8052bas.html 8052 BASIC Projects] - IDE-Interface
* [http://home.t-online.de/home/s.holst/sh51/index.html Mikrokontroller sh51] Schaltplan für 80C535-Board
* 8051-Makroassembler [http://plit.de/asem-51/ ASEM-51] (Freeware)
* [http://sdcc.sourceforge.net/ SDCC - Small Device C Compiler] - freier ANSI-C compiler für Intel 8051, Maxim DS80C390 und Zilog Z80 kompatible Controller.
* [http://sdccokr.dl9sec.de/ The SDCC Open Knowledge Resource]
* [http://www.wickenhaeuser.de/ Wickenhäuser C Compiler] - Preisgünstiger C Compiler
* [http://home.tiscali.cz:8080/~cz056018/lanc_a.htm LANC-Remote] Projekt von Jiří Šmach zur Steuerung von Videorekordern oder Camcordern über das Control-L (LANC) Protokoll mit Hilfe eines AT89C2051.
* [http://www.microcontroller-starterkits.de Microcontroller-Starterkits] Starter-Kits für verschiedene Microcontroller (D) preisgünstige Platinen (ab 12,95 Euro für AT89S8252). Beim uC-Dualboard : Das Board ist nutzbar mit AVR-Controllern und 8051-Controllern!
* [http://turbo51.com Turbo51 - Free Pascal compiler for 8051]
* [http://self8051.de/ self8051.de] - Dein Nachschlagewerk - Befehlsreferenz, Eigenschaften, Derivate
* [http://cmon51.sourceforge.net/ CMON51] - freier Onboard Monitor und Debugger, anpassbar an unterschiedliche 8051 kompatible Mikrocontroller
* [http://et-tutorials.de/632/kostenloser-mikrocontroller-kurs/ Mikrocontroller Video Tutorial] Video-Tutorial für Einsteiger (C-Kurs + Einführung 8051)

== MSP430 ==
* [http://www.mikekohn.net/micro/naken430asm_msp430_assembler.php naken430msp] - MSP430 Assembler von Michael Kohn (GPL)
* [http://www.mathar.com MSP430 Tutorials] - Tutorials, Anleitungen und viele Beispielprojekte mit dem MSP430-Mikrocontroller
* [http://www.student-zw.fh-kl.de/~stwi0001/imp/msp430/pwm430/index.htm Pulsweitenmodulation mit dem MSP430] - sehr ausführliche Einführung
* [http://www.thomas-wedemeyer.de/elektronik/msp430/msp430.html Kleine Projekte mit dem MSP430] - Schaltplan und Layout zu einem MSP430F149-Board und einem ADXL-G-Sensor mit MSP430
* [http://tinymicros.com/embedded/MSP430/ The MSP430 Bugspray Database] - umfangreiche Datenbank für Bugs in MSP430-Controllern
* [http://msp430.info MSP430.info] - Portalseite für MSP430; Info, Projekte (MIDI, USB)
* [http://groups.yahoo.com/group/msp430 Yahoo group MSP430] - lebhaftes Forum mit vielen MSP430-Experten
* [http://homepage.hispeed.ch/py430/mspgcc/ mps430-gdb und Eclipse] - Eine Anleitung von Chris Liechti
* [http://passworld.co.jp/ForumMSP430 Forum MSP430] - Projekte mit MSP430 (GPS, BlueTooth usw...)
* TI Design-Wettbewerb: http://www.designmsp430.com/View.aspx (Dateien liegen evtl. in /projects/) [2011-01-24: redirect zum TI Wiki, Projekte nicht mehr vorhanden]
* [http://www.sics.se/project/mspsim MSPsim] - a Java-based simulator of MSP430 sensor network platforms (BSD License (revised))
* [http://develissimo.net/de/msp430entwicklung MSPGCC + Eclipse + msp430-gdbproxy / Linux / Debian / Ubuntu] - Anleitung / Tutorial zur Installation der MSPGCC Toolchain + Eclipse + msp430-gdbproxy für Linux / Debian / Ubuntu Lang=Deutsch und Englisch
* [http://travisgoodspeed.blogspot.com/ Travis Goodspeed's Blog] - Home of the [http://goodfet.sourceforge.net/ GoodFET] Programmer
* [http://www.43oh.com/ Four-Three-Oh!]

=== MSP430 Launchpad ===
* [http://processors.wiki.ti.com/index.php/MSP430_LaunchPad_(MSP-EXP430G2)?DCMP=launchpad&HQS=Other+OT+launchpadwiki MSP430 LaunchPad Wiki] bei TI
* [http://hackaday.com/2010/08/11/how-to-launchpad-programming-with-linux/ How-to: Launchpad programming with Linux] auf hackaday.com
* [http://springuin.nl/en/articles/launchpadwindows TI Launchpad programming and debugging with Open Source tools on Windows] (Eclipse, MSPGCC4, Insight, msp430-gdbproxy)
* [http://osx-launchpad.blogspot.com/ MSP430 LaunchPad toolchain for Mac OS X]

=== EZ430 Chronos ===
* [http://processors.wiki.ti.com/index.php/EZ430-Chronos?DCMP=Chronos&HQS=Other+OT+chronoswiki EZ Chronos Wiki] bei TI

== ARM ==

=== Herstellerseiten ===
* [http://www.arm.com ARM] - Entwickler des ARM-Prozessorkerns (kein Hersteller von ICs)
* [http://infocenter.arm.com ARM Infocenter] Sammlung Technischer Informationen

* [http://www.analog.com/ Analog Devices] ADuC7xxx ARM7TDMI Serie unter ''Analog Microcontrollers''
* [http://www.atmel.com/products/AT91/ Atmel AT91 Startseite]
* [http://www.at91.com AT91.COM] - Atmel ARM Informationsseite (Forum, Beispielcodes etc.)
* [http://www.cirrus.com/en/products/pro/techs/T7.html Cirrus Logic]
* [http://www.energymicro.com/ Energy Micro] EFM32 mit Cortex M3 Kern
* [http://www.freescale.com/mac7100 Freescale MAC7100]
* [http://www.hilscher.com Hilscher netX] (ARM926 core)
* [http://www.intel.com/design/intelxscale/ Intel XSCALE Startseite], siehe auch [http://www.marvell.com/ Marvell]
* [http://www.luminarymicro.com/ Luminiary Micro (TI)] Controller mit Cortex M3 core
* [http://www.standardics.nxp.com/microcontrollers/ NXP (ehemals Philips) Microcontroller Startseite] für sämtliche Mikrocontroller (ARM7, ARM9, Cortex-M0, -M3, MCS51 etc.), neben LPC2000, LPC3000 auch die LH7xxxx BlueStreak-Serie (ehemals Sharp Microelectronics)
* [http://www.lpc2000.com lpc2000.com] Infoseite für NXP (ex. Philips) LPC1700 Cortex-M3 basierende Typen, LPC2000, ARM7 basierende Typen und LPC3000, ARM9 basierende Typen. Auch andere Cortex-M3 Bausteine sind erfasst
* [http://www.okisemi.com/eu/1.Products/ARM32bit.html OKI ARM-Controller Startseite]
* [http://www.samsung.com/Products/Semiconductor/ Samsung] ARM7/9 unter ''Mobile SoC''
* [http://mcu.st.com/mcu/ STMicroelectronics (ST) Microcontroller Startseite] u.a. STR7, STR9, STM32 Support-Forum
* [http://www.ti.com/ Texas Instruments] TMS470 ARM7TDMI Serie
* [http://www.toshiba.com/taec/ Toshiba] Controller mit ARM9 und Cortex-M3 core

=== Information (Foren, Mailinglisten, Linksammlungen) ===
* [http://www.neko.ne.jp/~freewing/cpu/arm_olimex/ Freewing Linksammlung] zu den NXP (ex. Philips) LPC-ARM7-Controllern (Assemblerbeispiele u.a. für Nokia 3310-GLCD)
* [http://www.open-research.org.uk/ARMuC ARM Microcontroller Wiki]
* [http://arm.hsz-t.ch arm.hsz-t.ch] Einfühung in ARM7 Mikrocontroller und uClinux.
* [http://tech.groups.yahoo.com/group/ADuC7000/ ADuC7000 Yahoo-Group]
* [http://www.at91.com AT91 Forum] (Atmel Rousset)
* [http://tech.groups.yahoo.com/group/AT91SAM/ AT91SAM Yahoo-Group]
* [http://en.mikrocontroller.net/forum/17 arm-elf-gcc WinARM Forum] (auch für Yagarto)
* [http://www.codesourcery.com/archives/arm-gnu/maillist.html Sourcery G++ Lite Edition User Forum/Mailing-List]
* [http://tech.groups.yahoo.com/group/gnuarm/ GNUARM Yahoo-Group]
* [http://www.keil.com/forum/ Keil/ARM Forum]
* [http://groups.yahoo.com/group/lpc2000/ LPC2000 Yahoo-Group]
* [http://www.mcu-related.com MCU related] Neuigkeiten zu MCUs, überwiegend ARM / Cortex-M3 basierend mit Vergleichen von RTOS und anderen Entwicklungstools
* [http://forum.sparkfun.com/ Sparkfun Foren]
* [http://mcu.st.com/mcu/modules.php?name=Splatt_Forums STMicroelectronis Forum]
* [http://www.stm32circle.com/ Forum for STM32 moderated by Raisonance] Sehr viele Beispielprogramme in Source fuer STM32 und den Primer2 von Raisonance

=== Entwicklungswerkzeuge (Compiler/Assembler/Debugger/Tools) ===

* [http://www.st-angliamicro.com/software.asp Anglia Idealist IDE und Anglia Toolchain] GNU toolchain für Win32-hosts inkl. Beispielen für STR7, STR9 und STM32. IDE kostenlos aber registrierungspflichtig
* [http://atollic.com/ attolic] TrueSTUDIO
* [http://www.codesourcery.com/gnu_toolchains/ Codesourcery] GNU Toolchains für ARM (Hosts: Linux, MS Windows, Solaris; Targets: "bare-metal", arm-linux, SybianOS)
* [http://devkitpro.org/ devkitPro/devkitARM] GNU-Toolchain für MS-Windows "Hosts". Vor allem auf GBA abgestimmt aber auch für andere ARM-Controller geeignet
* [http://www.ghs.com/ Green Hills Software]
* [http://www.hitex.de Hitex] IDE für diverse Compiler, Debugger
* [http://www.iar.com IAR] Embedded Workbench, kommerzielle IDE/Compiler, codegrößenbeschränkte Evaluierungsversion verfügbar
* [http://www.isystem.com/ iSYSTEM] Integrated Development Environment, USB/JTAG interface, OnChip Emulation and Trace
* [http://www.keil.com Keil/ARM MDK-ARM] kommerzielle IDE/Compiler, unterstützt zwei Compiler (ARM RealView, GNU/gcc), codegrößenbeschränkte Evaluierungsversion verfügbar (IDE/Compiler unbeschränkt für GNU), guter Debugger, sehr guter Simulator, Simulator und Debugger in der Evaluierungsversion auch bei Nutzung der GNU-Toolchain mit Größenbeschränkung
* [http://mct.de/download.html#free MCT Demoversion C-Compiler für ARM und 68k] ARM C-Compiler basiert auf GCC laut Herstellerinformation jedoch mit Codegrößenbeschränkung 
* [http://www.mpeforth.com www.mpeforth.com] - A free Forth system with 125 page manual for all Philips LPC2xxx CPUs with at least 64k Flash and 16k RAM and cystal frequency of 10, 12, or 14.7456 MHz.
* [http://www.raisonance.com/ Raisonance] Ride, RKit-ARM
* [http://www.rowley.co.uk/ Rowley] Kommerzielle IDE für GNU-Compiler, eigene libc (nicht newlib), Debugger (inkl. gutem Support für Wiggler)
* [http://h-storm.tantos.homedns.org/gcc_arm.htm Tantos gcc for ARM Targets] eine weitere ARM-GNU-Toolchain für MS-Windows "Hosts"
* [http://www.yagarto.de Yagarto] GNU arm-eabi-Toolchain, Eclipse, OpenOCD für Win32 inkl. Setup
* [http://www.siwawi.arubi.uni-kl.de/avr_projects/arm_projects/index.html#winarm WinARM] eine an WinAVR angelehnte Sammlung von Entwicklungswerkzeugen (binutils, arm-elf-gcc, newlib, ''newlib-lpc'', Programmers Notepad, ''Beispiel-Makefiles und Beispielcode'') für alle ARM-Controller. Beispiele für Philips LPC2000 und Atmel AT91SAM7S (ARM7TDMI) u.a.
* [http://rtlab.tekproj.bth.se/wiki/index.php/Dissy#Architecture_support Dissy] is a disassembler for Linux and UNIX which supports multiple architectures and allows easy navigation through the code. Dissy is implemented in Python and uses objdump for disassembling files.
* [http://www.sinelabore.com sinelaboreRT] - generiert leicht lesbaren C-Code aus einer Zustandsmaschine. Die Generierung berücksichtig speziell die Bedürfnisse eingebetteter Echtzeitsysteme.
* http://arm.hsz-t.ch Entwicklungsumgebung für ARM7 Mikrocontroller basierend auf der Knoppix CD. Keine Harddisk installation nötig für uClinux.

* [http://openocd.berlios.de/web/ OpenOCD] Open On-Chip Debugger: Schnittstelle ("gdb-Server") zwischen verschiedenen JTAG-Interfaces (u.a. auf FTDI2232-Basis, "Wiggler"-ParPort und andere) und GNU-debugger (gdb/Insight-gdb) Flash-Programmierfunktion für LPC2k, AT91SAM7S, LM3S, STM32 und viele andere interne und externe Flashspeicher (Open Source, GPL, unter anderem auf MS Windows und Linux lauffähig)
* [http://macraigor.com/full_gnu.htm OCDLibRemote] Schnittstelle zwischen WIGGLER-kompatibler JTAG Hardware und dem GNU-Debugger (gdb)
* [http://gdb-jtag-arm.sourceforge.net/ GDB-JTAG-ARM] GDB JTAG Tools
* [http://jtagpack.sourceforge.net/ JTAG-Pack] GDB JTAG Tools
* [http://www.hjtag.com H-JTAG] RDI-Interface für Wiggler, Flash-Funktionen für diverse interne und externe Speicher
* [http://www.clibb.de/ lpc21isp] Flashutility für LPC21xx, ISP via "Bootloader" ("multiplattform")

*[http://www.abatron.ch Abatron] BDI1000 & BDI2000, On-Chip Debuggers für ARM, 68k, Coldfire uvm.
* [http://www.amontec.com Amontec] JTAGkey, JTAGkey2(P): JTAG-Adapter auf Basis des FTDI2232(H)
* [http://www.hjtag.com/product_intro.html H-JTAG USB Emulator]
* [http://www.keil.com Keil/ARM ULINK/ULINK2/ULINK-ME] JTAG-Adapter, USB-Anschluss, wird von Keil uVision unterstützt, ULINK2 teilw. auch von Codesourcery G++ (lt. Hestellerangaben)
* [http://www.kristech.eu Kristech] USB-Scarab, JTAG Adapter, kommt mit eigener Debugger-UI, kompatibel zu Olimex
* [http://www.lauterbach.de Lauterbach] TRACE32 JTAG-Adapter, USB und Ethernet-Anschluss, eigene Software
* [http://www.olimex.com Olimex] JTAG-Adapter: Wiggler-Nachbau (ParPort) und Adapter auf Basis des FTDI2232 (USB)
* [http://www.ronetix.at/peedi.html Ronetix Peedi]
* [http://www.segger.de Segger J-Link] JTAG-Adapter, USB-Anschluss, unterstützt z. B. von IAR, Keil uVision (via RDI) (OEM: IAR J-Link, SAM-ICE)
* [http://www.signalyzer.com/ Signalyzer] Signalyzer Tool, u.a. JTAG-Adapter auf Basis des FTDI2232
* [http://www.simonqian.com/en/Versaloon/index.html Simon Qians Versaloon]

=== Tutorials und Beispiele ===
* [http://www.dreamislife.com/arm/ LPC210x ARM7 Microcontroller Tutorial] - Assembler-Beispiele (arm-elf-as) für das Olimex LPC-MT-Board (Philips LPC2106 ARM7TDMI)
* [http://re-eject.gbadev.org/index.php gcc-Assembler für ARM] - Befehlsübersicht
* [http://patater.com/gbaguy/gbaasm.htm GBA ASM Tutorial] - ARM7 Assembler Tutorial mit arm-elf-as ("gcc") (Allgemein und GBA)
* [http://www.robsite.de/daten/tutorials/devgba/gba_asm1.html GBA Assembler Tutorial] - ARM7TDMI, Schwerpunkt auf GBA
* [http://www.sparkfun.com/tutorial/ARM/ARM_Cross_Development_with_Eclipse.pdf Eclipse+CDT+gnuarm-Tutorial]
* [http://mct.de/download/armsamples/map.html Beispiele in C, für ARM7-Controller von Philips und ADI]
* [http://www.embedded.com/design/opensource/201802580 Embedded.com: Building Bare-Metal ARM Systems with GNU] Teil 10, Links zu den Teilen 1-9 auf der Seite
* [http://www.sparkfun.com/datasheets/DevTools/SAM7/at91sam7%20serial%20communications.pdf AT91SAM7 Serial Communications] von James P. Lynch (PDF, www.sparkfun.com)
* [http://www.kaczurba.pl/aduc ADuC7000 Tutorial] von Witold Kaczurba (www.kaczurba.pl)

=== Projekte und Quellcodebibliotheken ===
* [http://hubbard.engr.scu.edu/embedded/arm/armlib/ Procyon ARMlib-LPC2100] - Treiber, Beispiele (Lizenz: GPL, kaum weiterentwickelt)
* [http://www.standardics.nxp.com/support/documents/?type=software NXP BlueStreak] Code für LH7xxxx (ehemals Sharp)
* [http://www.siwawi.arubi.uni-kl.de/avr_projects/arm_projects/index.html M. Thomas' ARM Projekte] "Projectvorlagen" für AT91SAM7 und LPC2000 mit GNU-Toolchain Einsteiger-Projekte für AT91SAM7, LPC2000, ADuC7000 u.a. (u.a. Blinky, UART, Interrupt, C++, GLCD mit KS0108, DS18x20, DCF77, Anpassungen von FAT16/32-Libraries) 
* [http://mcu.st.com/ STMicro] Treiber und Beispiel für STR7, STR9 und STM32
* [http://wiki.sikken.nl/index.php?title=LPCUSB LPCUSB] - Open-source [[USB]] stack for the built-in USB controller in LPC214x microcontrollers von Bertrik Sikken. [http://lpcusb.cvs.sourceforge.net/lpcusb/host/benchmark/main.c?revision=1.2&view=markup Sample code]
* [http://www.olimex.com Olimex] Einige Beispiele auf den "Produktseiten" der ARM Boards.
* [[ARM MP3/AAC Player]]
* [http://www.jcwren.com/arm/ J.C. Wrens Beispielprojekt] für LPC214x
* [http://www.keil.com/download/list/arm.htm Beispiele von Keil] abgestimmt auf deren Boards und Realview-Toolchain, Portierung auf andere Boards und Compiler relativ einfach, Lizenz beachten.
* [http://www.luminarymicro.com/ Luminary Micro Driverlib] für Stellaris Cortex-M3
* [http://r2d2.stefanm.com/gps-tracker.html GPS-Tracker] mit Navigation auf LPC2103-Basis (Complier: GCC)
* [http://elua.berlios.de elua] Lua für ARM-controller
* [http://freemodbus.berlios.de/ FreeMODBUS] "A Modbus ASCII/RTU and TCP implementation" (für STR71x, AT91SAM7, LPC214x, auch: AVR, MSP430 u.a.)
* [http://bettyhacks.com BettyHacks] Freie Firmware für die "interaktive TV-Fernbedienung" betty-tv (ARM7tdmi, 2MB Flash, 160 x 128 Pixel 2 bit LCD, CC1100, IR, Lautsprecher,..)

=== Betriebssysteme ===
* [http://agnix.sourceforge.net/ Agnix]
* [http://www.bertos.org/ BeRTOS] is a completely free, open source, real time operating system (RTOS) suitable for embedded platforms. Runs on many microprocessors and microcontrollers, ranging from 8 bits to 32 bits CPUs and even PCs.
* [http://chibios.sourceforge.net/ ChibiOS/RT]
* [http://www.stm32circle.com/resources/upgrade.php Circle-OS for STM32] Kostenloses OS, sehr klein mit Basisfunktionen fuer STM32
* [http://coocox.org/ CoOS]
* [http://sources.redhat.com/ecos/ eCos] - "Real-Time-Operating-System" o.a. auch für ARM7
* [http://www.freertos.org/ FreeRTOS (.org!)] - "Real-Time-Kernel" unter anderem für ARM7 (LPC2xxx) auch AVR, MSP430, '51er
* [http://sourceforge.net/projects/funkos/ FunkOS]
* [http://l4ka.org/ L4Ka]
* [http://www.toradex.com/colibri_downloads/Linux/readme.txt Linux 2.4.29 für Toradex Colibri] basierend auf Intel XScale PXA270
* [http://www.linux4sam.org Linux4SAM] Informationen, Anleitungen und Code zur Anwendung von Linux auf AT91SAM9xxx
* [http://www.freertos.com/ NicheTask] (URL ist www.freertos.com aber hat nichts mit FreeRTOS(.org) zu tun)
* [http://www.ethernut.de/en/software/index.html Nut/OS] Echtzeitbetriebssystem für Mikrocontroller (ARM, AVR, AVR32, Cortex M3 u.A). Multitasking und vollständiger TCP/IP Stack inklusive. Leicht zu erlernen und viele Beispiele
* [http://nuttx.sourceforge.net/ NuttX RTOS] (ARM7TDMI port for TI TMS320C5471 also called a C5471 or TMS320DM180).
* [http://www.phoenix-rtos.org/ Phoenix-RTOS]
* [http://picoos.sourceforge.net/ PicoOS]
* [http://prex.sourceforge.net Prex] is a portable real-time operating system for embedded systems. The small, reliable, and low power kernel is written in the C language based on microkernel design. The file system, Unix process, and networking features are provided by user mode tasks. (ARM, i386, geplant: MIPS, PowerPC, Hitachi-SH und Win32)
* [http://www.rtems.org/ RTEMS]
* [http://code.google.com/p/rt-thread/ rt-thread]
* [http://sourceforge.net/projects/scmrtos/ scmRTOS]
* [http://www.tnkernel.com/downloads.html TNKernel] - "Real-Time-Kernel" TNKernel ist ein kompakter und sehr schneller Echtzeitkernel unter anderem für ARM7 (Philips LPC2106/LPC21XX/LPC22xx, Samsung S3C44B0X, Atmel AT91SAM7S128, STMicroelectronics STR711FR2)
* [http://www.ucos-ii.com/ uC/OS-II RTOS]

=== Hardware (Prototypen-Platinen etc.) ===


* [http://www.armkits.com/ Embest] Philips, Samsung und Atmel ARM Boards und Module, JTAG-Hard- und Software
* [http://www.waveplayer.de/ Embedded-Waveplayer] mit ARM7-Prozessor EP7309 (MIDI- und RS232-Steuerung)
* [http://www.embeddedartists.com/ Embedded Artists] bietet verschiedene preisgünstige Platinen (ab 25 Euro für LPC213x Familie)
* [http://www.embedded-it.de/microcontroller/microcontroller-module.php Embedded-IT] eNet-sam7X: Ethernut kompatible Embedded Ethernet Mikrocontroller Boards für Industrie und Hobby auf ARM mit Nut/OS Betriebssystem sowie USB Module auf AVR Basis
* [http://www.hiteg.com Hiteg] SAMSUNG und Intel XScale basierende boards. (Deutsches Unternehmen in China)
* [http://www.hitex.de/ Hitex] Starter-Kits für Philips LPC2000, ST STR7, Atmel AT91M
* [http://www.iar.com/ IAR] Starter-Kits für Atmel, Oki, Philips, ST und TI
* [http://www.ic-board.de/index.php?cat=c12_ICswift-Module.html ic-board.de] Kommunikationsplattform auf Basis des AT91SAM7X256 mit Ethernet, USB, CAN und Funk Schnittstellen
* [http://www.keil.com/ Keil] Philips LPC2000 und ST STR7/9 Boards und Starter-Kits
* [http://www.lpctools.com/ LPCTools] bietet verschiedene Starter Kits für die LPC2000-Familie
* [http://www.makingthings.com/ MakingThings] Make Controller Kit (AT91SAM7X256)
* [http://mct.de/index.html MCT Paul und Scherer] Starterkits für ARM7 (NXP LPC2000, ADI ADUC7000)
* [http://shop.mikrocontroller.net Mikrocontroller.net Shop] Platinen mit AT91SAM7, LPC2xxx, JTAG
* [http://www.microcontroller-starterkits.de Microcontroller-Starterkits] Starter-Kits für verschiedene Microcontroller (D) preisgünstige Platinen (ab 12,95 Euro für LPC2129 und 2194) sowie Entwicklungsboard komplett bestückt
* [http://stores.ebay.de/Micro-Research Micro-Research] Development- und Header-Boards für LPC2000 und ADuC7000
* [http://www.olimex.com Olimex] Bulgarischer Anbieter günstiger ARM Prototypen- und Header-Boards (LPC2000, STR7, AT91SAM, ADI, TI, OKI u.a.)
* [http://www.propox.com/?lang=en Propox]
* [http://www.mcu-raisonance.com/~primer-starter-kits__microcontrollers__tool~tool__T018:4enfvamuxbtp.html Primer2 from Raisonance] Focus auf STM32 mit sehr grossem Forum im STM32circle
* [http://www.revely.com/ Revely] Evaluations- und Demo-Boards mit Sharp ARM Controllern. Teilweise mit SVGA-Anschluss.
* [http://www.skpang.co.uk/catalog/index.php SKPang electronics] Entwicklungsboards für diverse ARM7/9 (UK)
* [http://www.dilnetpc.com SSV Embedded Systems] bietet verschiedene Starter Kits für die verschiedenen DIL/NetPC u.a. (A)DNP/9200 SBC mit AT91RM9200
* [http://www.taskit.de taskit] [https://www.ledato.de/shop_content.php?coID=10 Development- und Header-Boards für AT91SAM7S/X], AT91RM9200, AT91SAM9
* [http://www.toradex.com/e/products.html Toradex] Colibri: Intel XScale PXA270 DevKit (Schweiz)

== [[PIC]] ==

=== Herstellerseiten ===
* [http://www.microchip.com Microchip] Hersteller der PIC Microcontroller
* [http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1406&dDocName=en010014&part=SW006011 Microchip C18 Student Edition] - die "Student Edition" des Microchip C18 C Compilers für die PIC18 Serie ist kostenlos verfügbar.
* [http://www.powercontact.de Elektronikentwicklung von Systemtechnik LEBER] Offizieller Microchip Design Partner für professionelles Microcontroller Design und Hersteller von Leistungsstellern, Thyristorstellern und Halbleiterelais...

=== Entwicklungstools / Tutorials / Foren ===
* [http://www.osterer.co.at www.osterer.co.at] Entwicklungs-Board mit integrierten Programmer/Debugger für PIC18F4550.
* [http://www.martins-elektronikwelt.tk www.martins-elektronikwelt.tk] ICD1-Debugger-Nachbau im Kleinstformat u. SMD Technik (so groß wie eine halbe Scheckkarte).
* [http://www.sprut.de/electronic/pic/index.htm PIC-Microchip-Controller (www.sprut.de)] Diese Seite soll dem Anfänger die ersten Schritte in die Welt der Microcontroller der Firma Microchip erleichtern. Betrachtet werden die 14-Bit-Controller der Serien PIC16Fxxx bzw PIC12Fxxx.
* http://www.waitingforfriday.com/ Wer anstatt mit Delphi (sprut.de) lieber mit C++ oder C# arbeiten möchte, findet bei Simon Inns ein USB-Framework und zahlreiche interessante und anpassbare Anwendungen.
* [http://pic-projekte.de/ PIC-Projekte.de] Tutorials (u.a. für PIC C) und Projekte mit erklärten Codesnipseln (geeignet für Anfänger), [http://pic-projekte.de/phpBB3/ deutschsprachiges PIC Forum]
* [http://www.fernando-heitor.de PIC: Programmierung in CCS (www.fernando-heitor.de)] Dies ist eine weitere Seite, die dem Anfänger, der sich mit PICs beschäftigt, auf die Beine hilft. Sie befasst sich hauptsächlich mit dem CCS-Compiler und hat dazu ein sehr gutes Tutorial. Ausserdem bietet die Seite ein Forum speziell für PIC Mikrocontroller.
* [http://www.cc5x.de CC5X] Programmierkurs für PIC-Mikrocontroller in C (CC5X Compiler)] Programmierkurs mit Beispielen und Schaltplänen, fertige Hardware- und Softwarelösungen. In diesem Kurs sind auch einige Unterprogramme detailliert erklärt.
* [http://www.microchipc.com/ MicrochipC.com] Programmieren von PIC-Microcontrollern mit C. (Enthält auch Links und Bootloader für diverse PICs.)
* [http://www.amodio.biz/projects/PIC10BaseT/index.html Internetworking with Microchip Microcontrollers - PIC18F4620+ENC28J60]
* [http://pic18fusb.online.fr/wiki/wikka.php?wakka=WikiHome Wiki about Microchip USB PIC] (PIC18F2550, PIC18F4550...)
* [http://members.aon.at/electronics/pic/picpgm/index.html PICPgm - A free and simple PIC Development Programmer Software for Windows and Linux] Einfacher PIC Programmer für Windows und Linux. Unterstützt eine Vielzahl von PIC-Chips und wird ständig erweitert. Derzeit können PIC10F, PIC12F, PIC16F, PIC18F, PIC24H sowie dsPIC30F und dsPIC33F programmiert werden.
* [http://www.stolz.de.be InCircuit-Programmer und -Debugger (www.stolz.de.be)] Einfacher Nachbau des Microchip ICD2s. Zum Programmieren und Debuggen.
* [http://www.winpicprog.co.uk WinPicProg] Programmer und Tutorials für Anfänger von Nigel Goodwin (Englisch)
* [http://usbpicprog.org/ usbpicprog], an open source Microchip PIC programmer for the USB port. A wxWidgets based (cross platform) application to communicate with the usbpicprog hardware / firmware. This application is known to function well on Linux, Windows (XP or later) and Macosx.
* [http://www.tigal.com EasyPIC3, EasyPIC4, Easy8051A, EasyAVR, Easy-was-weiss-ich (www.tigal.com)] - Distributor für Produkte von [http://www.mikroelektronika.co.yu mikroelektronika] und weiteren Herstellern
*[http://www.pro-zukunft.de Pro Zukunft] Evaluation-Board für PIC16F84A, hands-on-training und Print-Lehrgang. Für Schulen, Ausbildungsbetriebe & Hobbyelektroniker.
* [http://www.wselektronik.at www.wselektronik.at] Bausatz für "Full Speed ICD2" (USB2.0, Debugger, Programmer) oder Fertiggerät erhältlich.
* [http://www.uchobby.com/index.php/2008/04/19/pic-development-linux-style/ How to setup for PIC microcontroller development on Linux] von Steven Moughan
* [http://www.dattalo.com/gnupic/gpsim.html#docs gpsim] is a full-featured software simulator for Microchip PIC microcontrollers distributed under the GNU General Public License.
* [http://www.mtoussaint.de/yapide.html YaPIDE] aims to be a fully featured Microchip PIC simulator for Linux (and probably other UNIXes). YaPIDE is a GUI only application. If you need a commandline based PIC simulator there is the excellent '''gpsim'''. The simulator kernel currently supports the PIC 16F628.
* [http://piklab.sourceforge.net/ Piklab] is an integrated development environment for applications based on Microchip PIC and dsPIC microcontrollers similar to the MPLAB environment. It integrates with several compiler and assembler toolchains (like gputils, sdcc, c18) and with the simulator '''gpsim'''. It supports the most common programmers (serial, parallel, ICD2, Pickit2, PicStart+) and debuggers (ICD2).
* [http://dev.frozeneskimo.com/software_projects:vpicdisasm vPICdisasm] is a Microchip PIC Mid-Range family firmware disassembler. This single-pass disassembler can read Intel HEX and Motorola S-Record formatted files containing valid PIC firmware. (GPL)
* [http://pikdev.free.fr/ PiKdev] is a simple graphic IDE for the development of PIC-based applications. It currently supports assembly language. C language is also supported for PIC 18 devices. PiKdev is developed in C++ under Linux and is based on the KDE environment.
* [http://www.yenka.com/en/Yenka_PICs/ Yenka PICs] lets you write routines using simple flowcharts, and test them on-screen, before using them to program real PIC or PICAXE chips. To help spread the news about Yenka, we're offering free copies of Yenka PICs for use at home or school.
* [http://gcbasic.sourceforge.net/ Great Cow BASIC] "Open Source BASIC programming tools for Microchip PIC and Atmel AVR microcontrollers"
* [http://openprog.altervista.org/OP_eng.html Open Programmer] - An open source [[USB]] programmer for [[PIC]] micros, [[I2C]]-[[SPI]]-MicroWire [[EEPROM]]s, some ATMEL [[AVR]] micros, generic I2C/SPI devices and (soon) other devices. Can work as [[ICD]] debugger.

=== Projektsammlungen/Einzelprojekte ===
* [http://www.martins-elektronikwelt.tk www.martins-elektronikwelt.tk] Viele Projekte mit den PIC Mikrocontrollern, u.a. SMS-Schaltzentrale, SD/MMC-FAT32-MP3-Player, Lichtschranken, Funk-Wetterempfänger, PS/2 am PIC usw.
* [http://www.Firmware-On-Demand.com Firmware-On-Demand] Umfangreiche Firmware-Bibliothek.
* [http://pic-projekte.de/hd44780_c18.html XLCD Librarie] Anleitung zum Ansteuern des HD44780 unter Verwendung der C18 XLCD Librarie
* [http://www.rentron.com www.rentron.com] Anfänger-taugliche Projekte für PIC und [[8051]] von Reynolds Electronics (Englisch)
* [http://www.circuitcellar.com/microchip2007/ Microchip 16-Bit Embedded Control 2007 Design Contest] bei [http://www.circuitcellar.com/ Circuit cellar]
* [http://mondo-technology.com/ Mondo Technologiy] Grosse Ansammlung von PIC-Projekten, u.a. SuperProbe: Logic Probe,(Auf der linken Seite ganz oben) Logic pulser, Frequency Counter, Event Counter, Voltmeter, Diode Junction Voltage, Capacitance Measurement, Inductance Measurement, Signal Generator, Video Patern, Serial Ascii, Midi Note, R/C Servo, Square Wave, Pseudo Random Number, ir38, PWM in einem... (PIC16F870)
* [http://micrognurtos.sourceforge.net uGNU/RTOS] is a microcontroller-targeted serial real time operating system. It has been ported to USART capable Microchip PIC16 devices. It supports I/O operations and some internal registry operations. The user can interact with the chip through the RS-232 serial cable and a shell. The user can type a small list of commands and see the results on the chip's outputs. (LGPL)
* [http://pic-projekte.de www.PIC-Projekte.de] Hier finden sich einige interessante Projekte mit PIC Mikrocontrollern (z.B. Anleitung zum Ansteuern eines HD44780 komp. LCD von eA, Ansteuern eines KS0107/8 Controllers in ASM mit PIC) sowie Erklärungen zu den dazugehörigen Programmabschnitten. Außerdem gibt es eine Anleitung zum Herrstellen von Platinen. Besuchen Sie das [http://pic-projekte.de/phpBB3/index.php PIC-Forum] und diskutieren Sie mit bei spannenden Themen. Wenn Sie Fragen zu PIC µC der Firma Micochip haben, dann sind Sie hier richtig aufgehoben!
* [http://pic16f628a.blogspot.com/ Experiments with PIC16F628A] - PIC Programming in C

*Stevy's Homepage http://stevy.bplaced.com Pic Projekte die in C geschriebn wurden z.B 3D Engine, Grafik Display Ansteuerungen, Oszilloskip usw
* [http://www.simon-brenner.ch/projekte/rgb-led-stripe RGB Stripe mit 16bit Bus, realisiert mit PIC12F629]
* [http://scifi.pages.at/drakesoft/aulem_mypong/ Spiel PONG] auf einer 16x16 LED Matrix mit Ton, realisiert auf einem AVR.
* [http://hackinglab.org/ Pinguino Webpage] und [http://wiki.pinguino.cc/index.php/Main_Page Pinguino Wiki] ist ein Arduino-ähnliches Open Source und Open Hardware Projekt für 8-Bit (PIC18F2550, PIC18F4550) Mikrocontroller.

== [[Z8]] ==
* [http://groups.yahoo.com/group/z8encore/ Yahoo! Groups : z8encore] Yahoo-Gruppe, die sich mit den Z8 Encore! Mikrocontrollern beschäftigt (Anmeldung bei Yahoo erforderlich).
* [[Zilog Encore Experimentierplatine]] (Z8F6421 Familie mit DIP-40 Gehäuse)
*[http://www.thpeter.net Zilog Projekte] (Ein Z8Encore und ZNEO Projekt und viele Tips zum Programmieren und Debuggen)


== Programmierbare Logik ([[CPLD]]/[[FPGA]]/[[GAL]]) ==

* [http://www.opencores.org/ OpenCores.org], VHDL Sourcen
* [http://www.fpga4fun.com/ fpga4fun], umfangreiche Seite mit Einführung und Beispielen, berücksichtigt Xilinx & Altera
* [http://opencollector.org/history/freecore/ Freecore], unter 'Module library' gibt's einige freie Designs
* [http://www.cmosexod.com/ CMOSExod], Designs unter 'Free IP'
* [https://digilent.us/ Digilent], Hersteller verschiedener FPGA/CPLD-Boards (u.a. Xilinx Spartan Starter Kit)
* [http://www.terasic.com.tw/cgi-bin/page/archive.pl?Language=English&CategoryNo=39 Terasic], Anbieter von Altera FPGA-Boards
* [http://shop.trenz-electronic.de/catalog/ Trenz Elektronik], verkauft verschiedene FPGA/CPLD-Boards
* [http://www.xess.com/index.html XESS], Anbieter von FPGA-Boards (Xilinx), unter Support gibts es eine Menge Beispiele
* [http://members.optushome.com.au/jekent/FPGA.htm Private Seite von John Kent], enthält eine Menge Links und auch einige Designs
* [http://www.openpicide.org openPICIDE], Picoblaze IDE für Windows, Linux und Mac
* [http://www.mediatronix.com/Tools.htm Mediatronix tools], Picoblaze und DSP tools
* [http://www.ixo.de/info/usb_jtag/ ixo.de usbjtag] - USB-JTAG Adapter, fast kompatibel zu Altera USB-Blaster, wahlweise basierend auf FT245+CPLD oder Cypress FX2 Controller
* [http://www.fpgacpu.org/links.html FPGA CPU Links]
* [http://www.fpga-forum.com/wbb Forum mit allgemeinen Diskussionen zum Thema FPGA und FAQ's speziell zu den Cesys FPGA Karten]
* [http://www.cesys.biz Online Shop für Cesys FPGA Karten]

== DSP ==

* [http://www.tetrix-systems.de/embedded.html combined embedded Linux-DSP Solutions]
* [http://open.neurostechnology.com/node/1020 TI c54x DSP Compilertools (ohne Debugger)] frei für Open Source Projekte.

== Wettbewerbe (Contests) ==

Verschiedene Hersteller veranstalten zur Promotion ihrer Produkte Designwettbewerbe, aus denen teilweise komplette Projektunterlagen hervorgehen (Schaltung, Source).

'''2011'''
*[http://www.designspark.com/chipkitchallenge DesignSpark chipKIT Challenge] bis 27.03.2012
*[http://www.555contest.com 555 Contest]
*[http://www.circuitcellar.com/nxpmbeddesignchallenge/ NXP and ARM/mbed challenge]
*[http://www.ebv.com/en/products/stm32-design-contest.html STM32 Design Contest] von EBV Elektronik und STMicroelectronics
* [http://www.renesasrulz.com/community/rx-contest The RX MCU Design Contest] und die Top 3 im [http://www.eevblog.com/2011/06/05/eevblog-174-renesas-rx-design-contest-winners/ Video] bei Dave Jones auf EEVBlog.com
* [http://www.cypress.com/?id=3298 ARM Cortex-M3 PSoC® 5 Design Challenge]
* [http://www.instructables.com/contest/micro/ SparkFun Microcontroller Contest] bis 13.02.2011
* [http://www.elektroniknet.de/bauelemente/news/article/27963/0/Wer_entwickelt_die_beste_Anwendung_mit_dem_EFM32/ EFM32 Design-Wettbewerb] von Elektronik, Avnet-Memec und Energy Micro
* [http://www.freescale.com/webapp/sps/site/overview.jsp?code=KINETIS_MAKEIT_CHALLENGE&tid=vanKINETIS_MAKEIT_CHALLENGE Make It Challenge: Kinetis MCUs] von Freescale

'''2010'''
* [http://www.schmartboard.com/index.asp?page=mcu_2010 SchmartBoard 2010 MCU Challenge]
* [http://www.digilentinc.com/showcase/contests/designcontest.cfm?ContestID=6 Digilent Design Contest 2010]
* [http://www.parallax.com/go/holidaychallenge Parallax & iGen Student LED Holiday Challenge]
* [http://www.embeddedspark.com/upcomingchallenge/ The embeddedSPARK 2010 SUMMER Challenge]
* [http://www.libelium.com/tienda/catalog/contest.php?language=en Libelium Arduino Open Hardware Contest]
* [http://www.circuitcellar.com/designstellaris2010/index.html Texas Instruments DesignStellaris 2010]
* [http://www.wizwiki.net/main/ iMCU Design Contest] (WIZnet)
* [http://www.elo-web.de/elo/entwicklung-und-projekte/ping-pong/elo-programmierwettbewerb-2010 ELO-Programmierwettbewerb 2010] (Atmega8, PingPong-Platine, 31.3.10)
* [http://www.lpc1100challenge.com/ NXP LPC1100 Design Challenge] (Cortex-M0 based LPC1100)

'''2009'''
* [http://arduinofun.com/blog/2009/11/01/fun-with-arduino-contest/ Fun with Arduino Contest]
* [https://www.xmos.com/challenge/ XMOS Challenge]
* [http://www.designmsp430.com/ Design MSP430 Ultra-Low Power Challenge]
* [http://makezine.com/halloweencontest/ Make: Halloween Contest 2009], sponsored by Microchip Technology!
* [http://www.bricogeek.com/contest/let-arduino-play/resultados.php Let Arduino Play Contest]
* [http://www.dlpdesign.com/designcontest/ DLP Design DLP-232PC Design Contest]
* [http://www.libelium.com/tienda/catalog/contest.php Arduino contest by Libelium]
* [http://www.expli.de/wettbewerb/coole-avr-microcontroller-elektronik-ideen/ EXPLI Elektronik Wettbewerb]: Die coolsten Elektronik Projekte & AVR Microcontroller Anleitungen
* [http://www.stm32circle.com/projects/contest.php STM32 Primer2 Design Competition 2009]
* [http://www.parallax.com/Resources/ApplicationsContests/Contests/200910PropellerContest/tabid/846/Default.aspx 2009/2010 Propeller Design Contest]

'''2008'''
* [http://www.parallax.com/tabid/720/Default.aspx Propeller Design Contest]
* [http://www.psocidcindia.com/index.php PSoC Innovator Design Challenge India 2008]
* [http://www.mypic32.com Microchip PIC32 Design Challenge]
* [http://contest.renesasinteractive.com/ HEW Target Server Design Contest 2008]
* [http://www.stm32circle.com/projects/result_contest_2008.php STM32 Primer Design Competition 2008]

'''2007'''
* [http://www.circuitcellar.com/wiznet/index.html WIZnet iEthernet Design Contest 2007]
* [http://www.circuitcellar.com/microchip2007/ Microchip 16-Bit Embedded Control 2007 Design Contest]

'''2006'''
* [http://www.designmsp430.com/View.aspx 2006 MSP430 eZ Design Contest]
* [http://www.luminarymicro.com/DesignStellaris2006 Luminary Micro DesignStellaris2006]
* [http://www.circuitcellar.com/avr2006/ Atmel AVR Design Contest 2006]

'''2005'''
* [http://www.jandspromotions.com/philips2005/index.htm Philips ARM Design Contest 2005] (LPC213x)
* [http://www.circuitcellar.com/renesas2005m16c/index.htm Renesas M16C Design Contest 2005]
* [http://www.edn.com/article/CA516007.html Cornelius van Drebbel's Mad Design Contest] (NEC)

'''2004'''
* [http://www.circuitcellar.com/avr2004/ Atmel AVR 2004 Design Contest]
* [http://www.circuitcellar.com/psoc2004/ PSoC High Integration Challenge 2004]
* [http://www.jandspromotions.com/zilog2004/ Zilog 2004 Flash Nets Cash Design Contest] (eZ80Acclaim!)
* [http://www.jandspromotions.com/wirelesschallenge/index.html 2004 Freescale Wireless Design Challenge] (MC13191/92/93 RF Transceivers, [[Meshnetics Zigbee|ZigBee]])

'''2003'''
* [http://www.circuitcellar.com/fi2003/ MOTOROLA FLASH INNOVATION 2003 DESIGN CONTEST] (Motorola HC08)
* [http://www.circuitcellar.com/renesas/ Renesas H8 Design 2003 Contest]
* [http://www.jandspromotions.com/zilog2003/ ZiLOG Flash for Cash Z8 Encore®! International Design Contest]
* [http://www.jandspromotions.com/efield203/index.htm 2003 Motorola E-Field Sensor Contest] (MC33794)

'''2002'''
* [http://www.circuitcellar.com/flash2002/ Mad Dash for Flash Cash] (Microchip, PIC)

'''2001'''
* [http://www.circuitcellar.com/dl2001/ Atmel 'Design Logic 2001' Design Contest]
* [http://www.circuitcellar.com/msp430/ MSP430 Design Contest]

== Interfaces & Protokolle ==
Siehe auch [[Linksammlung#Schnittstellen]]

=== Infrarot (IR) ===

* [http://www.sbprojects.com/knowledge/ir/index.php Übersicht IR-Protokolle] von San Bergmans (engl.): ITT, JVC, NEC, Nokia NRC17, Sharp, Sony SIRC, Philips RC-5, RC-6, RC-MM, RECS80, RCA, X-Sat
* [http://www.vishay.com/docs/80071/dataform.pdf Data formats for IR controls (PDF)] von Vishay.
* [http://www.ostan.cz/IR_protocol_analyzer/ IR protocol analyzer] (Freeware)

=== Parallelport ===

* [http://www.projects-lab.com/?p=1139 ECPMON] - ECP Parallel Port Monitor ([[M16C]]/62P)

=== iPod ===
* [http://ipodlinux.org/IPod_to_T%26A_remotecontrol_adapter IPod to T&A remotecontrol adapter] ([[PIC]]-Projekt)(Link defect)
* http://jasongarr.wordpress.com/project-pages/ipod-clickwheel-hack/

=== [[RFID]] ===

* [http://www.alexanderguthmann.de/RFIDemulator.html RFIDemulator] - Beschreibung eines RFIDemulators zum klonen von Tags
* [http://www.mwjournal.com/journal/article.asp?HH_ID=AR_905 Radio Frequency Identification: Evolution of Transponder Circuit Design] - Übersichtsartikel aus dem Microwave Journal
* [http://www.foebud.org/rfid Die StopRFID-Seiten des FoeBuD e.V.]
* [http://www.rfzone.org/free-rf-ebooks/ PDF-Bücher (englisch) ]- Bücher über RF, Antennen und elektromagnetische Wellen.

* http://cq.cx/proxmark3.pl Jonathan Westhues RFID Leser/Schreiber/Cloner

http://www.message_bocracco.com/

==== ~ 125 kHz ====

*[http://t4f.org/en/projects/open-rfid-tag Open RFID Tag]

==== 13,56 MHz RFID ====
* [http://www.openpcd.org/ OpenPCD - a free 13.56MHz RFID reader design] for Proximity Coupling Devices (PCD) based on 13,56MHz communication. This device is able to screen informations from Proximity Integrated Circuit Cards (PICC) conforming to vendor-independent standards such as ISO 14443, ISO 15693 as well as proprietary protocols such as Mifare Classic. (AT91SAM7S128 [[ARM]] Projekt)
* [http://www.rf-dump.org/ RFDump] is a backend GPL tool to directly interoperate with any RFID ISO-Reader to make the contents stored on RFID tags accessible. (Linux)

==== 2,4 GHz RFID ====
* [http://www.openbeacon.org/ OpenBeacon] - a free active 2.4GHz beacon design. (Reader: USB oder Ethernet; Tags: RF_Chip: NRF24L01, PIC16F684)

=== [[DMX512]] ===
* [http://www.soundlight.de/techtips/dmx512/dmx512.htm DMX-512 - was ist das?] Eine Übersicht von SOUNDLIGHT.
* [http://dworkin-dmx.de/ USB DMX Interface] Bausatz /Fertiggerät USB DMX Interface
* [http://www.oksidizer.com/electronic/spp2dmx/index_en.html OksiD DMX 3/1 is a Standard Parallel Port DMX 512 interface for IBM compatible PCs]. Drei Output Universe und ein Input Universe (Universe = 512 channels). Open project. All source code and schematics are available for free.
* [http://www.usbdmx.com/usb_dmx_interface.html USB DMX Interface revision 1.3] - opto isolated, bus powered, DMX512 from/to [[USB]]interface with both in and out universes. Cheap and simple to build.
* [http://www.dmx512-online.com/ Ujjal's DMX512 Seite]
* [http://llg.cubic.org/dmx4linux/ DMX4Linux 2.6] - A DMX device driver package for Linux (incl. hardware schematics with TI [[MSP430]])

=== Verschiedenes ===
* [http://www.taelektroakustik.de/deu/index.htm T&A Kommandos] - '''RC''' und '''RCII''' Kommandoset der Philips PRONTO Familie zur Steuerung von Audiogeräten. Dokumentation siehe unter Downloads.
* [http://www.marjorie.de/ps2/ps2_protocol.htm Das PS/2 Maus und PS/2- oder AT-Tastatur-Protokoll] (Original auf [http://www.computer-engineering.org/])
* [http://www.hth.com/snap/ S.N.A.P - Scaleable Node Address Protocol]. S.N.A.P is an free and open network protocol. The protocol was primary developed for PLM-24 based home automation and control systems but it is a generic protocol and not limited to this. S.N.A.P can be used in any type of applications where an easy to learn and light weighted network protocol is needed.
* [http://www.ulrichradig.de/home/index.php/avr/avr_-_rc PPM / PWM Encoder/Decoder für R/C Funkfernsteuerungen] von Ulrich Radig (AVR, C)
* [http://www.national.com/analog/interface/lvds_owners_manual LVDS Owner's Manual - 4th Edition] von National Semiconductor
* [http://www.mictronics.de/?page=becker Becker Unilink]
* [http://users.ntplx.net/~andrew/sony/unilink/ Sony UniLink]
* [http://www.vending.org/technology/MDB_Version_4.pdf Multi-Drop Bus / Internal Communication Protocol (MDB / ICP)]

== Elektronikversender‎ ==

siehe [[Elektronikversender‎]]

== Leiterplattenhersteller ==

siehe [[Platinenhersteller]]

== Schulungen (Online) ==

* [http://www.esacademy.com/myacademy/ www.esacademy.com] (engl.) - C, CAN, I²C, BlueTooth, PWM, USB, 51LPC, ARM (Einführung)
* [http://www.elprak.ch Elektronik in der Praxis] Präsentationen zu verschiedenen Themen der Elektronik in der Praxis. Lötvideo, das den zeitlichen Ablauf beim Löten anschaulich darstellt.
* [http://www.national.com/onlineseminar/ www.national.com] - Amplifiers, Audio, Data Acquisition, Die Products, Displays, Interface, Microcontrollers, Military/Aerospace, Power, Thermal Management, Wireless
* [http://www.circuitrework.com Circuit Technology Center] - Surgeon grade rework and repair, by the book and guaranteed. Deeplink: [http://www.circuitrework.com/guides/guides.shtml Guides]
* [http://www.onlinetutorials.de/index.htm onlinetutorials.de] - Linksammlung zu Tutorials für höhere Programmiersprachen ([[HLL]]) wie C, C++, Java, BASIC, Perl, PHP, ...
* [http://www.awce.com/classroom/ AWCE Interactive Classroom] - Embedded Systems (Using the APP-IV with GCC, Getting Started with the PIC 18F Family), Electronics (CLARC/HBSIG DSP Study Group, Basic Circuits), RoadMap to Programmable Logic
* [http://www.ibiblio.org/kuphaldt/socratic/ Socratic Electronics] (englisch)
* [http://www.embedded.com/design/multicore/201200638;jsessionid=4T1T0OZQW4PFSQSNDLRSKH0CJUNN2JVN?printable=true The basics of programming embedded processors] von Wayne Wolf. Neun Artikel bei embedded.com (englisch)
* [http://webcast.berkeley.edu/course_details.php?seriesid=1906978507 EE 42/EE 100 Introduction to Digital Electronics] - Webcast, Spring 2008 (englisch)
* [http://freevideolectures.com freevideolectures.com] - Webcasts zu naturwissenschaftlichen Theman (englisch)
* [http://www.circuitsage.com/ Circuit Sage], a complete source of information to help you design circuits fast. (Linksammlung zu Software, Artikeln Büchern und Websites)
* [http://www.DieElektronikerseite.de Die Elektronikerseite] Umfangreiche Sammlung von kleinen Lehrgängen und Schaltungen. Ideal für Anfänger aber auch für Fortgeschrittene
* [http://homepages.internet.lu/absolute3/tronic/ 3D Virtual Development] - Sammlung von vielen Grundschaltungen im Bereich Oszillator, Operationsverstärker, Empfangstechnik. Vereinzelt in Englisch.
* [http://cws.gtc.edu/programs/objects/electronics.htm Learning Objects for Electronics] des Engineering Tech Wing of Gateway Technical College (Flash erforderlich)
* [http://ecee.colorado.edu/~bart/book/book/title.htm Principles of Semiconductor Devices] von Bart Van Zeghbroeck
* [http://itp.nyu.edu/physcomp/Intro/HomePage Introduction to Physical Computing] ([[AVR]], Arduino)

== Skripte ==

* [http://www.janson-soft.de/skripte/index.html Linksammlung von Volker Lange-Janson]
* [http://wwwex.physik.uni-ulm.de/lehre/physikalischeelektronik/phys_elektr/phys_elektr.html Physikalische Elektronik und Messtechnik] von Othmar Marti und Dr. Alfred Plettl, Universität Ulm
* [http://openbookproject.net//electricCircuits/index.htm Lessons in Electric Circuits I-VI] von Tony R. Kuphaldt

== Messequipment ==
* [http://www.filmetrics.com Filmetrics Inc.] (Filmetrics manufactures affordable thin-film measurement instruments capable of measuring thin films from 3nm to 0.5mm in thickness.)
* [http://www.pce-instruments.com PCE Instruments] (Entwicklung und Produktion für Prüfgeräte und Waagen.)
=== Logikanalyse ===
* [http://www.pctestinstruments.com Intronix LogicPort], Günstiger, aber sehr leistungsfähiger Logikanalysator mit USB-Anschluß an PC (34Ch, 500MHz Timing, 34 x 2kSa mit Kompression, ca. 295 Euro [http://www.shop.display3000.com/elektronik/messgeraete/index.html hier])
* Zeroplus LAP-Cxxxx (Familie von LA's mit unterschiedlichen Daten, 32kBit...2MBit, 16ch oder 32ch, 100MHz..200MHz, Preise von 90,-...1100,- Euro, zu kaufen [http://www.tigal.com/products_category.asp?cid=96 hier])
* [http://www.tech-tools.com/dv_main.htm TechTools DigiView], Günstiger Logikanalysator mit USB-Anschluß an PC (18Ch, 100MHz Timing, 128kSa mit Kompression, [http://elmicro.com/de/digiview.html ca. 430Euro])
* [http://www.tribalmicro.com/logic_an/ Tribalmicro], PC hosted LA (32ch, 40MHz Timing, 128kSa, ca. 1700$)
* [http://www.nci-usa.com/frame_products_overview.htm NCI GoLogic], Logikanalysator mit USB-Anschluß an PC (34 oder 72Ch, 500MHz Timing, 1 oder 2MSa, ca. 3000..5500$)
* [http://www.tek.com/products/logic_analyzers/index.html Tektronix], Verschiedene Geräte, standalone oder modular (ab 34ch, 2GHz Timing, ab 512kSa, gut und teuer)
* [http://www.home.agilent.com/DEger/nav/-536902443.0/pc.html Agilent], Verschiedene Geräte, standalone, modular oder PC-hosted (ab 34ch, ab 800MHz timing, ab 256kSa, gut und teuer)
* [http://www.sump.org/projects/analyzer/ Sumps LA], günstiges Projekt für einen LA basierend auf einem Digilent Spartan Board (32ch, 100MHz Timing, 256kSa, Kosten Digilent Board ca. 100$ + Versand/Zoll)
* [http://www.meilhaus.de/produkte/usb-mobile-messtechnik/?user_produkte%5BPATTR%5D=HPG_3-UPG1_3-UPG2_2&user_produkte%5BPR%5D=8&cHash=2c8edb93e2 Meilhaus Electronic - MEphisto Scope UM203] Robustes, mobiles 16 bit Kombi-Instrument 7 Mess-Geräte in einem! (ab 348€)
* [http://www.hacker-messtechnik.de/13722/59001.html TravelLogic TL2x36], Logikanalysator zum Anschluß an PC über USB, (36ch, 4GHz timing, 200MHz state, Speicher bis 72MBit, Preis ab ca. 500,- netto)
* [http://www.inovaflex.de/index.html Bus und Logic Analyzer] 100MHz Samplerate und integrierten SPI, I²C, CAN Interpreter, erweiterbar als Oszilloskop
* [http://www.saleae.com/logic/ logic] - Logik-Analyzer mit 8 Kanälen, mit Software zur Analyse von SPI, I2C, UART, etc... (ca 150$ + Versand/Zoll)
* [http://www.deditec.de/de/logikanalysatoren/prod/usb-logi-500.html DEDITEC USB-LOGI-500], kostengünstiges Einsteigermodell mit USB-Anschluß und dazugehöriger Software Logi+ (36Ch, Abtastrate 500MHz, 4096 Samples Speichertiefe/Kanal, ca. 236 Euro)
* [http://basic.io/index.php/component/virtuemart/alogic-analyzer-detail Alogic Analyzer]: Verfügt über USB-, I2C-, UART- und SPI-Protokoll-Dekoder. Vier oder zwei Kanäle mit bis zu 24 MHz Abtastrate. USB-High-Speed-Transfer zur kontinuierlichen Datenspeicherung. Aufzeichnung über Tage hinweg (nur durch Festplatte begrenzt). Preis 99,- Euro incl. MwSt.

* Eine Übersicht über verschiedene Selbstbauprojekte: [[Logic_Analyzer]]

* [http://www.timing-diagrams.com TimingAnalyzer] can be used to easily draw timing diagrams and perform timing analysis to find faults in digital logic systems. Written in Java, it runs on any platform that supports the Java Run-time Environment, JRE1.6.0 or Java Development Kit JDK1.6.0 or newer.

=== Oszilloskope ===

siehe die separate [http://www.mikrocontroller.net/articles/Oszilloskop Seite] zum Thema

=== Generatoren ===
[http://www.meilhaus.de/produkte/mess-und-steuer-karten/?user_produkte%5BPR%5D=23&cHash=64a269a3c6 Meilhaus Electronic - ME-6x00] Waveform-Generator - potentialfrei isolierte 16 bit Analog-Ausgabe-Karte (ab EUR 1138,00)

=== Handbücher für Messgeräte ===
Für ältere kommerzielle Messgeräte sind viele Handbücher im Web als PDF verfügbar. Hier eine Linkliste für den kostenlosen Download:
* [http://www.ko4bb.com/cgi-bin/manuals.pl KO4BB Didier Juges]
* [http://bama.edebris.com/manuals/ BAMA-Edebris (mirror)]
* [http://www2.faculty.sbc.edu/kgrimm/boatanchor/index.htm BAMA Originalseite K4XL]
* [http://www.to-way.com/teqman.html to-way.com (K7MLR)]
* [ftp://ftp.bluefeathertech.com/pub/electronics/testgear/ Bluefeathertech FTP-Server]
* [http://www.bitsavers.org/ Bitsavers, vor allem Computermanuals und Software]
* [https://www.logsa.army.mil/etms/online.cfm Handbücher der US-Army (->"i accept" -> "Enter the site" -> Suchbegriff z.B "Analyzer" in "Pub Title Text" eingeben -> search)]
* [http://www.eserviceinfo.com/browse.php eserviceinfo.com]
* [http://www.one-electron.com/FC_TestEquipment.html one-electron.com]
* [http://manoman.sqhill.com/ manoman]
* [http://www.nostalgiaair.org/ Nostalgia Air schematics, manuals, tube data]
* [http://pages.cthome.net/fwc/ Freds sehr alte (vor allem Militärelektronik-) Geräteliteratur, Röhrentechnik] und hier [http://pages.cthome.net/fwc/TO-DOC.HTM Übersicht zur Nummerierung der Militärhandbücher]
* [http://www.hpmemory.org/ressources/resrc_home.htm HP-Memory.org, alte Applications und HP-Journals]
* [http://www.ebaman.com/index.php/home Ebaman Registrierung per e-Mail erforderlich]

Eine [http://www.slack.com/elec.html Linksammlung zu Messgeräten], sehr ausführlich

== Vermischtes ==

=== Foren ===
* [http://forum.sparkfun.com/ Spark Fun Electronics] MicroController Ideas and Support (Englisch) ([[AVR]], [[PIC]], [[MSP]], [[ARM]], OpenOCD)
* [http://www.edaboard.com/ EDAboard.com] International Electronics Forum Center (Englisch)
* [http://stsboard.de STS Reparatur Forum] Forum für Radio und Fernsehtechniker
* [http://formu.iwenzo.de Elektronik Reparatur Forum] Informationselektroniker Reparatur Forum
* [http://www.elektrikforum.de Elektrik-Forum] Forum zum Thema Elektroinstallationen
* [http://www.eeweb.com/electronics-forum/ Electronics Forum] Electrical Engineering Community Forum (Englisch)

=== Videocasts und Podcasts ===

* [http://www.eevblog.com/ EEVblog] Electronics Engineering Video Blog von David L. Jones (englisch). ''Anm.: David ist Australier und das hört man. An die Sprechweise kann man sich aber gewöhnen. Und nicht erschrecken, wenn öfter mal ein drastisches Fourletterword auftaucht!''
* [http://www.theamphour.com/ The Amp Hour] Podcast mit Chris Gammell und David Jones (englisch)

=== Projektsammlungen ===
Meist in Englisch.
* [http://circuitscout.com/ Circuit Scout] - Online Suchmaschine
* [http://www.epanorama.net ePanorama.net]

* [http://www.discovercircuits.com Discover Circuits] a collection of 25000+ electronic circuits or schematics
* [http://www.next.gr/ Next] Electronic Circuit Database
* [http://www.beyondlogic.org/ BeyondLogic.org] Diverse Mikrocontroller und Interfacing Projekte
* [http://www.uoguelph.ca/~antoon/circ/circuits.htm Circuits for the Hobbyist] by VA3AVR
* [http://www.stefpro.de/ StefPro.de] Diverse Projekte und Datenblattsammlung nach Kategorien, Microcontroller, Digital und Analog... Sowie Tutorial "Grundlagen der Bestückung von Platinen" und anderes Wissen
* [http://www.schaltplaene-online.de/ www.schaltplaene-online.de] Umfangreiche Linksammlung zu Schaltplänen aller Art
* [http://www.halloweenmonsterlist.info/ MoNsTeRlIsT of Halloween Projects]
* [http://www.open-innovation-projects.org Open Innovation Projects] - Sammlung von offenen Projekten zu physischen Produkten, darunter etliche Mikrocontroller-Projekte. Man kann selber Projekte hinzufügen.

=== Referenzen, Beschreibungen, Standards ===
* Extraseite: [[Datenblätter]]
* [http://www.technick.net Technik.Net] Pinouts, Circuits and Guides
* [http://pinouts.ru/ pinout.ru] und [http://www.hardwarebook.info/ hardwarebook.info] - Online handbooks of hardware pinouts, cables schemes and connectors layouts
* [http://www.networktechinc.com/technote.html Keyboard, Monitor & Mouse Pinouts] for PC, SUN, MAC, USB, FireWire, RS232, Digital Flat Panel and EVC configurations
* [http://www.q1.fcen.uba.ar/materias/iqi/joygus/tvgames.html Special joysticks used in TV games]
* [http://microsym.com/editor/assets/intelhex.pdf Intel-Hex-Format (PDF)]
* [http://home.teleport.com/~brainy/fat32.htm FAT32 Structure Information] - Written by Jack Dobiash
* [http://www.pjrc.com/tech/8051/ide/fat32.html Understanding FAT32 Filesystems] mit Beispielen (engl.)
* [http://www.rev-ed.co.uk/docs/picaxe_manual3.pdf Microcontroller Interfacing Circuits] - Revolution Education Ltd.
* [http://www.digchip.com/application-notes/ Datenbank für ''Application Notes''] bei www.digchip.com
* [http://www.pavouk.org/hw/lamp/en_index.html#bigluz20w Compact Fluorescent Lamp (CFL)], Schaltungen von Energiesparlampen

=== Online-Bücher ===
* [http://www.allaboutcircuits.com/ All About Circuits] - Series of online textbooks covering electricity and electronics. The information provided is great for both students and hobbyists who are looking to expand their knowledge in this field. (Englisch)
* http://www.computer-books.us/ - überwiegend zu höheren Programmiersprachen. Englisch.
* [http://www.vias.org/feee/index.html FEEE - Fundamentals of Electrical Engineering and Electronics]
* [http://www.nrbook.com/a/bookcpdf.php Numerical Recipes in C, Second Edition (1992)]
* [http://www.specamotor.de/freebook.php Electrical drives for precision engineering designs] Prof.dr.ir. Compter
* [http://www.joretronik.de/Web_NT_Buch/Vorwort/Vorwort.html Das neue InterNetzteil- und Konverter-Handbuch] Dipl.-Ing. Jörg Rehrmann

=== Bedienungsanleitungen / Manuals ===
* [http://bama.edebris.com/manuals/ BAMA Archiv]
* [http://www.big-list.com/ Big-List.com] - This is a directory of over 600 dealers in used high technology equipment. Most deal in used electronic test equipment or semiconductor production equipment. Included are dealers in related high technology items, rental companies, equipment auction sites, test equipment manual dealers, foreign (non-U.S.) used equipment dealers, cal labs, and repair services.

=== Ungewöhnliche Basteleien (Hacks) ===
Auf eigene Gefahr und nicht immer ganz ernst... Meist in Englisch.

* Metablogs (tägliche News)
** [http://www.makezine.com/ Makezine]
** [http://www.hackaday.com/ Hack a Day]
** [http://www.hackedgadgets.com/ HackedGadgets]
** [http://www.hacknmod.com/ Hack N' Mod]
** [http://zedomax.com/blog/category/diy/ Zedomax DIY]
** [http://digital-diy.com Digital-DIY]
** [http://dangerousprototypes.com Dangerous Prototypes]

* Foren
** [http://www.fingers-welt.de/home.htm Fingers elektrische Welt]
** [http://forum.hackedgadgets.com/ HackedGadgets Forum]
** [http://stsboard.de Reparatur Forum]


* Projektsammlungen
** Final Projects der Kurse [http://people.ece.cornell.edu/land/courses/ece4760/FinalProjects/ ECE4760] (Designing with Microcontrollers) und [http://people.ece.cornell.edu/land/courses/ece5760/FinalProjects/ ECE5760] (Advanced Microcontrollers) an der Cornell University
** [http://www.coolcircuit.com/gadgets/ Cool Circuit]
** [http://www.electronics-lab.com/blog/ Electronics-Lab.com Blog]

* DIY-Anleitungen
** [http://www.instructables.com/ instructables]
** [http://www.scitoys.com/ Scitoys] You Can Make With Your Kids

* Mix
** [http://www.evilmadscientist.com Evil Mad Scientist Laboratories] - u.a. The Flying Spaghetti Monster, on toast ;-)
** [http://home.earthlink.net/~lenyr/index.html Spark, Bang, Buzz and Other Good Stuff] ([http://www.sparkbangbuzz.com Neue Sachen])
** [http://www.electricstuff.co.uk/ Mike's Electric Stuff] - Antique Glass, Tesla coils and high-voltage stuff, Lasers
** [http://electricity.pbwiki.com/ DHS electricity]
** [http://www.elephantstaircase.com/wiki/index.php?title=Main_Page Elephant Staircase]
** [http://mycpu.eu Eine selbstgebaute CPU aus TTL-Gattern]
** [http://www.knollep.de/ Knolles Bauanleitungen]
** [http://www.ikalogic.com/index.php ikalogic.com]
** [http://www.electronicsinfoline.com/ Electronics Infoline]
** [http://www.uchobby.com/ uC Hobby]
** [http://elettrolinux.com elettrolinux] - Elektronik und Linux (engl.)
** [http://electronicfox.at.tf/ electronicfox] - Verschiedene Projekte mit [[AVR]], Fernbedienungen und deren Aufbau sowie Decoder und alten ICs aus dem Recyclinghof
** [http://www.techfocusmedia.net/archives/fresh-bytes/ Fresh Bytes von Techfocusmedia]

=== Zeitschriften über Elektronik und µC ===
* [http://www.eue24.net/ E&E Faszination Elektronik] - Magazin für Elektronik-Entwickler und Elektronik-Interessierte
* [http://www.embedded.com embedded.com] - Hauptaugenmerk auf die Philosophie drumherum
* [http://www.siliconchip.com.au/ Silicon Chip] - Freie Artikel unter ''Free Preview''
* [http://www.circuitcellar.com/ Circuit Cellar] - Freie Artikel unter ''Digital Library''
* [http://www.elektronikpraxis.vogel.de/themen/hardwareentwicklung/mikrocontrollerprozessoren/ Elektronikpraxis - Das professionelle Elektronikmagazin]
* [http://www.funkamateur.de/ FUNKAMATEUR] - Elektronik, Amateurfunk, CB-Funk u. v. a. m.
* [http://www.edn.com/ EDN] (etwas schwer zu finden, aber lesenswert: die [http://www.edn.com/channel/Design_Ideas.php Design Ideas] und das [http://www.edn.com/archive/ Archiv der Druckausgaben])
* [http://www.franzis.de/elo-das-magazin ELO - Das Magazin] für Elektronik-Einsteiger
* [http://techonline.com/ TechOnline]
* [http://www.elektor.de/ Elektor]
* [http://www.techbriefs.com/tech-briefs/electronics-techbriefs NASA Tech Briefs] - Electronics & Computers
* [http://et.nmsu.edu/~etti/ Technology Interface Journal]
* [http://dev.emcelettronica.com/ Your Electronics Open Source]
* [http://www.element-14.com element14.com] is an information portal and community specifically built for electronic design engineers.
* [http://www.itwissen.info ITWissen.info] (gutes Lexikon)
* [http://www.nutsvolts.com Nuts'n'Volts] Amerikanisches Elektronikmagazin mit Online Blog
* [http://de.rs-online.com/web/generalDisplay.html?id=eTech eTech] von RS Online

H-Brücken Übersicht

2011-12-26T11:19:34Z

Mfgkw: /* Integrierte H-Brücken */

== Integrierte H-Brücken ==

H-Brücken dienen der Ansteuerung von bipolaren Relais, Magnetventilen, Gleichstrom-oder [[Schrittmotoren]]. Damit kann sowohl die Drehrichtung als auch die Drehzahl per [[PWM]] gesteuert werden. Der Vorteil integrierter H-Brücken ist die kompakte Bauform.

(Tabelle mit Klick im Kopfbereich sortierbar)
{| border="1" class="sortable" id="h-bruecken"
|-
!Bezeichnung
!Spannungsbereich [V]
!Dauerstrom [A]
!Spitzenstrom [A]
!max. PWM Frequenz [kHz]
!Gehäuse
!Preis [€]
!Lieferanten
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/MC33887 MC33887]
|5-28
|5
|6.5 (intern limitiert)
|10
|20-Pin HSOP, 36-Pin PQFN, 54-Pin SOICW
|3,20
|[[Elektronikversender#Farnell|Far]]
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/SI9985 Si9985CY]
|3.8-13.2
|1 (bei 5V Versorgung)
|1,5
|500
|SO-08
|
|[[Elektronikversender#Farnell|Far]]
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/L293 L293D]
|4,5-36
|0,6 (2x)
|1,2
|10
|DIL16,SO-20
|1,20 (DIL), 2,80 (SO)
|[[Elektronikversender#Reichelt|Rei]]
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/L272 L272D]
|40
|0,7
|
|
|8-DIP 16-SOP
|1,05
|[[Elektronikversender#Reichelt|Rei]]
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/L298 L298N]
|4,5-36
|2 (2x)
|3
|40
|Multiwatt15
|2,15
|[[Elektronikversender#Reichelt|Rei]]
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/L6202 L6202]
|12-42
|1,5
|
|100
|Dip 18
|3,60
|[[Elektronikversender#Reichelt|Rei]]
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/L6203 L6203]
|12-48
|4
|10
|100
|Multiwatt11
|4,15
|[[Elektronikversender#Farnell|Far]],[[Elektronikversender#Reichelt|Rei]]
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/L6219 L6219]
|12-52
|0,75 (2x, dual)
|1
|100
|S-Dip 24
|1,70
|[[Elektronikversender#Reichelt|Rei]]
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/MC3479 MC3479]
|7,2-16
|0,35 (2x, dual)
|
|100
|Dip 16
|4,10
|[[Elektronikversender#Reichelt|Rei]]
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/TLE4207 TLE4207]
|18
|0,8
|
|
|
|2,70
|RS
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/TC4426 TC4426COA]
|4,5-18
|
|1,5
|
|SO-08
|0,80
|RS
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/PBL3717 PBL3717A]
|10-46
|?
|1
|
|DIL16
|2,60
|[[Elektronikversender#Reichelt|Rei]]
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/TEA3718 TEA3718A]
|10-50
|1,2 "recommended"
|1,5
|
|DIL16
|1,90
|[[Elektronikversender#Reichelt|Rei]]
|-
| [http://www.mikrocontroller.net/part/VNH3ASP30 VNH3ASP30-E]
| 5,5-16
| 30
|
| 20
| MPSO30
| 3,20
| [[Elektronikversender#Spoerle|Spo]], ca. 320 EUR/100 Stk.
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/VNH2SP30 VNH2SP30]
|5,5-16
|30
|
|20
|MPSO30
|
|[[Elektronikversender#Schukat_elektronic|Schukat]]
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/BA6845FS BA6845FS]
|2,7-9
|
|1
|
|SSOP-A16
|1,35
|[[Elektronikversender#Reichelt|Rei]]
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/TDA7073 TDA7073]
|3-18
|0.6
|1
|176
|DIP16, SO16
|1,15
|[[Elektronikversender#Reichelt|Rei]](DIP)
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/ZXMHC6A07T8TA ZXMHC6A07T8TA]
|60
|1.5
|7.2
|1000 ?
|SM8
|1,05
|[[Elektronikversender#Reichelt|Rei]]
|}

== Diskrete H-Brücken ==

Der Vorteil diskreter H-Brücken sind die wesentlich grösseren Schaltströme, da hier große, diskrete [[FET | MOSFETs]] genutzt werden können. Passende MOSFETs findet man in der [[MOSFET-Übersicht]], den passenden [[Treiber]] im gleichnamigen Artikel. Die MOSFETs brauchen dann meist einen [[Kühlkörper]].

== Schaltung mit Bipolaren Transistoren ==

Die hier dargestellte H-Brücke ist einfach aufgebaut und die Bauteile sind überall verfügbar. Sie ist für kleine Leistungen gedacht. Die Maximalspannung ist 20V und der Maximalstrom 500mA, wobei man mit dem im Schaltplan genannten Änderungen bis auf 1500mA kommt. Die Idee dazu entstammt von [http://wilf.solarbotics.net/PSHbridge/PSHbridge.html dieser Seite], auf der noch mehr Details der Schaltung erklärt werden. Hier nur kurz: Die Dioden D1 - D4 sind Freilaufdioden. R2 begrenzt den Basistrom von Q4. Die Diode D5 begrenzt zusammen mit R6 den Basisstrom der Transistoren Q2-Q5. Fließt ein großer Motorstrom, so steigt die Sättigungsspannung (VCEsat) von Q1 an und es fließt weniger Sttom durch R8. Der Basistrom von Q4 steigt und damit auch der Basisstrom von Q1 und Q6. So wird der Basisstrom geregelt. Spiegelbildlich verhält es sich auf der rechten Seite der Schaltung.

Niemals dürfen beide Eingänge gleichzeitig angesteuert werden, sonst gibt es einen Kurzschluss. Die Ansteuerung ist für 5V gedacht, wenn man R2 und R3 auf 1k verkleinert kann man auch mit 3,3V ansteuern. Die Ansteuerung zieht etwa 2mA, die auch geliefert werden müssen, für manche seltenen Mikrocontroller könnte dies ein Problem sein.

Link zu den Datenblättern der verwendeten Bauteile: [http://www.mikrocontroller.net/part/BC547 BC547], [http://www.mikrocontroller.net/part/BC327 BC327], [http://www.mikrocontroller.net/part/BC337 BC337], [http://www.mikrocontroller.net/part/1N5819 1N5819], [http://www.mikrocontroller.net/part/1N4148 1N4148], [http://www.mikrocontroller.net/part/FMMT619 FMMT619]

[[Bild:H-Brücke-nach-Tilden.png|miniatur|zentriert|hochkant=4.5|H-Brücke nach Tiden für 500mA und 35V]]

== Links ==

* [[Mosfet-Übersicht]]
* [[Elektronikversender]]

[[Kategorie:Bauteile]]

H-Brücken Übersicht

2011-12-26T11:16:28Z

Mfgkw: /* Integrierte H-Brücken */

== Integrierte H-Brücken ==

H-Brücken dienen der Ansteuerung von bipolaren Relais, Magnetventilen, Gleichstrom-oder [[Schrittmotoren]]. Damit kann sowohl die Drehrichtung als auch die Drehzahl per [[PWM]] gesteuert werden. Der Vorteil integrierter H-Brücken ist die kompakte Bauform.

(Tabelle mit Klick im Kopfbereich sortierbar)
{| border="1" class="sortable" id="h-bruecken"
|-
!Bezeichnung
!Spannungsbereich [V]
!Dauerstrom [A]
!Spitzenstrom [A]
!max. PWM Frequenz [kHz]
!Gehäuse
!Preis [€]
!Lieferanten
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/MC33887 MC33887]
|5-28
|5
|6.5 (intern limitiert)
|10
|20-Pin HSOP, 36-Pin PQFN, 54-Pin SOICW
|3,20
|[[Elektronikversender#Farnell|Far]]
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/SI9985 Si9985CY]
|3.8-13.2
|1 (bei 5V Versorgung)
|1,5
|500
|SO-08
|
|[[Elektronikversender#Farnell|Far]]
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/L293 L293D]
|4,5-36
|0,6 (2x)
|1,2
|10
|DIL16,SO-20
|1,30
|[[Elektronikversender#Reichelt|Rei]]
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/L272 L272D]
|40
|0,7
|
|
|8-DIP 16-SOP
|1,05
|[[Elektronikversender#Reichelt|Rei]]
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/L298 L298N]
|4,5-36
|2 (2x)
|3
|40
|Multiwatt15
|2,15
|[[Elektronikversender#Reichelt|Rei]]
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/L6202 L6202]
|12-42
|1,5
|
|100
|Dip 18
|3,60
|[[Elektronikversender#Reichelt|Rei]]
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/L6203 L6203]
|12-48
|4
|10
|100
|Multiwatt11
|4,15
|[[Elektronikversender#Farnell|Far]],[[Elektronikversender#Reichelt|Rei]]
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/L6219 L6219]
|12-52
|0,75 (2x, dual)
|1
|100
|S-Dip 24
|1,70
|[[Elektronikversender#Reichelt|Rei]]
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/MC3479 MC3479]
|7,2-16
|0,35 (2x, dual)
|
|100
|Dip 16
|4,10
|[[Elektronikversender#Reichelt|Rei]]
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/TLE4207 TLE4207]
|18
|0,8
|
|
|
|2,70
|RS
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/TC4426 TC4426COA]
|4,5-18
|
|1,5
|
|SO-08
|0,80
|RS
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/PBL3717 PBL3717A]
|10-46
|?
|1
|
|DIL16
|2,60
|[[Elektronikversender#Reichelt|Rei]]
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/TEA3718 TEA3718A]
|10-50
|1,2 "recommended"
|1,5
|
|DIL16
|1,90
|[[Elektronikversender#Reichelt|Rei]]
|-
| [http://www.mikrocontroller.net/part/VNH3ASP30 VNH3ASP30-E]
| 5,5-16
| 30
|
| 20
| MPSO30
| 3,20
| [[Elektronikversender#Spoerle|Spo]], ca. 320 EUR/100 Stk.
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/VNH2SP30 VNH2SP30]
|5,5-16
|30
|
|20
|MPSO30
|
|[[Elektronikversender#Schukat_elektronic|Schukat]]
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/BA6845FS BA6845FS]
|2,7-9
|
|1
|
|SSOP-A16
|1,35
|[[Elektronikversender#Reichelt|Rei]]
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/TDA7073 TDA7073]
|3-18
|0.6
|1
|176
|DIP16, SO16
|1,15
|[[Elektronikversender#Reichelt|Rei]](DIP)
|-
|[http://www.mikrocontroller.net/part/ZXMHC6A07T8TA ZXMHC6A07T8TA]
|60
|1.5
|7.2
|1000 ?
|SM8
|1,05
|[[Elektronikversender#Reichelt|Rei]]
|}

== Diskrete H-Brücken ==

Der Vorteil diskreter H-Brücken sind die wesentlich grösseren Schaltströme, da hier große, diskrete [[FET | MOSFETs]] genutzt werden können. Passende MOSFETs findet man in der [[MOSFET-Übersicht]], den passenden [[Treiber]] im gleichnamigen Artikel. Die MOSFETs brauchen dann meist einen [[Kühlkörper]].

== Schaltung mit Bipolaren Transistoren ==

Die hier dargestellte H-Brücke ist einfach aufgebaut und die Bauteile sind überall verfügbar. Sie ist für kleine Leistungen gedacht. Die Maximalspannung ist 20V und der Maximalstrom 500mA, wobei man mit dem im Schaltplan genannten Änderungen bis auf 1500mA kommt. Die Idee dazu entstammt von [http://wilf.solarbotics.net/PSHbridge/PSHbridge.html dieser Seite], auf der noch mehr Details der Schaltung erklärt werden. Hier nur kurz: Die Dioden D1 - D4 sind Freilaufdioden. R2 begrenzt den Basistrom von Q4. Die Diode D5 begrenzt zusammen mit R6 den Basisstrom der Transistoren Q2-Q5. Fließt ein großer Motorstrom, so steigt die Sättigungsspannung (VCEsat) von Q1 an und es fließt weniger Sttom durch R8. Der Basistrom von Q4 steigt und damit auch der Basisstrom von Q1 und Q6. So wird der Basisstrom geregelt. Spiegelbildlich verhält es sich auf der rechten Seite der Schaltung.

Niemals dürfen beide Eingänge gleichzeitig angesteuert werden, sonst gibt es einen Kurzschluss. Die Ansteuerung ist für 5V gedacht, wenn man R2 und R3 auf 1k verkleinert kann man auch mit 3,3V ansteuern. Die Ansteuerung zieht etwa 2mA, die auch geliefert werden müssen, für manche seltenen Mikrocontroller könnte dies ein Problem sein.

Link zu den Datenblättern der verwendeten Bauteile: [http://www.mikrocontroller.net/part/BC547 BC547], [http://www.mikrocontroller.net/part/BC327 BC327], [http://www.mikrocontroller.net/part/BC337 BC337], [http://www.mikrocontroller.net/part/1N5819 1N5819], [http://www.mikrocontroller.net/part/1N4148 1N4148], [http://www.mikrocontroller.net/part/FMMT619 FMMT619]

[[Bild:H-Brücke-nach-Tilden.png|miniatur|zentriert|hochkant=4.5|H-Brücke nach Tiden für 500mA und 35V]]

== Links ==

* [[Mosfet-Übersicht]]
* [[Elektronikversender]]

[[Kategorie:Bauteile]]

AVR32 Grasshopper

2011-12-25T10:28:13Z

Mfgkw: /* Über das Board */

== Über das Board ==

[[Bild:AVR32_Grasshopper.jpg|right]]

AVR32-Board, ab 85 Euro (Version ohne CD) [http://shop.embedded-projects.net/index.php?module=artikel&action=gruppe&id=24 im Mikrocontroller.net-Shop] erhältlich.

Technische Daten:
* 140 MHz (max. 200 MHz möglich)
* 64 MB SDRAM (32 Bit breit angeschlossen)
* 8 MB Flash
* 10/100 MBit/s Netzwerk
* On-Chip Display Controller
* 1 USB Highspeed Anschluss
* 8 LED
* 1 Taster
* Power LED (kann auch angesteuert werden)
* Reset Taster
* Spannungsversorgung: 5-10V verpolungssicher oder USB Kabel oder über Pinleisten
* über die Pinleisten sind alle wichtigen Ports herausgeführt
 

== Ressourcen ==

* [http://www.mikrocontroller.net/attachment/33492/grasshopper_schematic.pdf Schaltplan PDF]
* [http://www.ic-board.de/data/manual/301000003C_HowTo_ICnova_Base.pdf Howto für die ersten Schritte]
* [http://www.chzsoft.de/grasshopper/grasshopper-gpio.pdf Tutorial: GPIOs über ein Webinterface steuern] ([http://www.chzsoft.de/grasshopper/grasshopper-gpio.tgz Dateien dazu])
* [http://www.chzsoft.de/grasshopper/openwrt-avr32-jffs2-64k-uimage.img OpenWrt für den Grasshopper] ([http://www.mikrocontroller.net/topic/130466#1606966 Infos und Sourcecode dazu])

== Speicherlayout ==

* Flash: 8MB ab Adresse 0x00000000
* RAM: 64MB ab Adresse 0x10000000

== Austausch von Dateien mit dem Board ==

Es gibt verschiedene Wege, Dateien mit dem Board auszutauschen. Standardmäßig läuft ein Webserver, der die Dateien unterhalb von /var/www bereitstellt. Auf dem Board ist wget installiert, mit dem Dateien von einem Webserver auf das Board geladen werden können. Ein TFTP-Server ist ebenfalls vorhanden. (Hinweis: Außer dem Namen hat TFTP (Trivial File Transfer Protocol) nichts mit dem bekannteren FTP gemeinsam.) Standardmäßig läuft der Server nicht. Man startet ihn mit folgendem Kommando und begrenzt den Zugriff sicherheitshalber auf Dateien in /tmp:

in.tftpd -l -c -s /tmp

Windows und die gängigen Linux-Distributionen bringen einen TFTP-Client mit, so dass man nun Dateien austauschen kann.

Sollte im LAN bereits ein NFS-Server (Network File System) existieren, kann auch er zum Datenaustausch mit dem Grasshopper dienen. Dazu muss auf dem Board nur portmap gestartet werden. Danach ist ein Mounten von NFS-Freigaben möglich.

== Beschreiben des Flash-Speichers ==

Die 8 MiB Flash-Speicher auf dem Board sind in drei Bereiche aufgeteilt: In den untersten 128 kiB befindet sich der Bootloader U-Boot. Der Bereich von 128 - 192 kiB ist für die Umgebungsvariablen (''environment'') des Bootloaders reserviert. Das JFFS2-Dateisystem mit der Linuxumgebung (''root file system'') belegt den Rest.

Am sichersten lässt sich der Flash-Speicher über die auf dem Board vorhandene [[JTAG]]-Schnittstelle beschreiben. Offiziell unterstützt Atmel nur den firmeneigenen JTAGICE mkII. Es existieren auch Softwarelösungen, um das Board über ein JTAG-Interface nach Wiggler-Bauart anzusprechen: [[http://www.avrfreaks.net/index.php?name=PNphpBB2&file=viewtopic&t=53865]].

Ferner lässt sich der Flash-Speicher auch aus dem laufenden Linux heraus (als Benutzer ''root'') oder durch den Bootloader U-Boot beschreiben. Hierbei besteht allerdings ein Risiko. Wird ein defektes JFFS2-Dateisystem geflasht, so läuft Linux nicht mehr, ist gar U-Boot gelöscht oder beschädigt, so startet u.U. das Board nicht einmal mehr. Dann kann es nur noch über JTAG erneut geflasht werden.

===Flashen des JFFS2-Dateisystems unter Linux===
Zunächst muss das neue Root-Dateisystem in das ''/tmp''-Verzeichnis auf das Board geladen werden, z. B. mit wget oder über tftp. Dann wird das alte Dateisystem zur Sicherheit schreibgeschützt gemountet und durch das neue ersetzt. Danach ist Reset nötig.

mount / -o remount,ro
dd if=/tmp/neues-root-fs of=/dev/mtdblock2 bs=64k

===Flashen des Bootloaders unter Linux===
Aus Sicherheitsgründen ist der Bereich des Flashs, in dem sich U-Boot befindet, standardmäßig unter Linux schreibgeschützt. Vor dem Booten des Linuxkernels muss daher im alten U-Boot der Inhalt der Environmentvariable ''bootargs'' geändert werden. Der Teil

mtdparts=physmap-flash.0:128k(boot)ro,64k(env)ro,-(root)

muss durch

mtdparts=physmap-flash.0:128k(boot),64k(env)ro,-(root)

ersetzt werden. Insgesamt ergeben sich für ein U-Boot im Auslieferungszustand folgende zwei Zeilen, die am U-Boot-Prompt eingegeben werden müssen:

setenv bootargs console=ttyS0 root=1F02 rootfstype=jffs2 mtdparts=physmap-flash.0:128k(boot),64k(env)ro,-(root)
boot

Nun kann U-Boot unter Linux geladen und geflasht werden:

dd if=/tmp/neues-u-boot.bin of=/dev/mtdblock0 bs=4k

*'''Achtung:''' Sollte bei dem letzten Befehl etwas schief laufen oder die neue U-Boot-Version defekt sein, so bootet das Board danach nicht mehr.
*'''Hinweis:''' "Das U-Boot" hat unter Umständen Probleme damit, längere Einträge mit "setenv" zu übernehmen. Das "askenv" Kommando kennt diese Beschränkung nicht und sollte in diesen Fällen verwendet werden.

===Flashen des JFFS2-Dateisystems mit U-Boot===
Sollte Linux nicht mehr starten, ist es auch möglich, ein neues Dateisystem mit U-Boot in den Flash-Speicher zu schreiben. Allerdings ist die auf dem Board ausgelieferte Version von U-Boot (''U-Boot 1.3.1-gd2cbfd4b-dirty (Apr 1 2008 - 18:26:02)'') fehlerbehaftet und bricht sowohl beim Löschen des Flashs als auch beim Beschreiben oft mit einer Fehlermeldung ab. Eine compilierte Version ohne diesen Bug steht unter [[http://www.chzsoft.com.ar/grasshopper/u-boot.bin]] zum Download bereit. (Ein Patch für den Quellcode von U-Boot ist ebenfalls verfügbar: [[http://www.chzsoft.com.ar/grasshopper/u-boot-1.3.0.x-icnova.flash.patch.gz]])

Zunächst muss das neue Dateisystem mit U-Boot in den RAM geladen werden. Dies kann z. B. von einem TFTP-Server erfolgen, nachdem IP-Adresse des Boards (''x.x.x.x'') und des TFTP-Servers (''y.y.y.y'') gesetzt wurden. ''neues-root-fs'' ist hierbei der Name der Datei auf dem Server.

setenv ipaddr x.x.x.x
setenv serverip y.y.y.y
tftp 11000000 neues-root-fs

Ebenso ist das Laden von einer NFS-Freigabe (Kommando ''nfs'') oder über die serielle Schnittstelle (Kommandos ''loadb'', ''loads'', ''loady'') möglich. Dann wird der Flash-Speicher gelöscht und das neue Dateisystem wird in den Speicher geschrieben:

erase 30000 7fffff
cp.b 11000000 30000 7d0000

== Booten via NFS ==
Man kann auch ein Rootfs über NFS mounten.
Dieser Hinweis bezieht sich auf feste IP, nicht auf die Konfiguration mit DHCP. Mittels DHCP hab ich es nicht hinbekommen :(.
Der Grasshopper ist im Beispiel auf die IP 10.10.10.23 und der Server auf 10.10.10.1 gesetzt.

Dazu sind ein laufender NFS-Server mit einer Freigabe mit der Option ''no_root_squash'' (RTFM ;) ) und ein Rootfs im ext2 Format nötig. Dass ein solches erstellt werden soll, kann man in der Buildroot-Umgebung mittels "make menuconfig" einstellen.

Die Datei rootfs.avr32.ext2 wird an z. B. /mnt gemountet

mount -o loop rootfs.avr32.ext /mnt

Sollte man das /mnt-Verzeichnis nicht direkt freigeben wollen, ist danach der Inhalt des Verzeichnisses in das über NFS freigegebene Verzeichnis zu kopieren (hier /nfs/root):

cp -avr /mnt/* /nfs/root/

Um die eingestellte IP zu nutzen, darf die Netzkonfiguration des Rootfs nicht gestartet werden:

rm /nfs/root/etc/rc.d/S10network.sh

Danach im Terminal am U-Boot-Prompt auf dem Hopper:

nfs 11000000 10.10.10.1:/nfs/root/boot/uImage
setenv bootargs root=nfs nfsroot=10.10.10.1:/nfs/root ip=10.10.10.23:10.10.10.1::255.255.255.0::eth0:none

Zu guter Letzt: ''bootm''
Thats all ;)

(Die absolut angegebenen Pfade beziehen sich auf meine eigene Einstellung. Mein Hopper hängt an einer eigenen Netzwerkkarte.)

Solange der Hopper das rootfs gemounted hat, kann man es neu überschreiben auf dem Server, und der Hopper hat gleich die neue Version ohne ihn neustarten zu müssen. Funktioniert natürlich nicht mit dem Kernel.

Etwas einfacher geht es das rootfs direkt in das NFS-Root zu mounten, ohne Kopiererei. Dabei (TODO: Lösung wie es auch in tieferen Verzeichnissen funktioniert) sollte beachtet werden, daß nicht nach z. B. /nfs/root/ sondern nach /nfs gemounted wird, sonst gehts (noch) nicht. Der rest bleibt gleich, nur die Pfade muessen selbstverständlich angepasst werden.
Wird der Hopper neugestartet, nachdem er via nfs gebootet hat, kann der Mountpunkt nur noch durch ein restart des Servers gelöst werden, sonst kommt die Meldung, daß er busy ist.

== Booten via NFS Beispiel ==

Falls man sein Kernel zerschossen hat und auch ein altes U-Boot mit dem man kein neues image per tftp laden und vor allem einbrennen kann, hat die Chance per nfs zu booten um von dort dann ein rootfs per dd zu schreiben.

Hier ein Beispiel zum Booten per NFS:

U-Boot 1.3.1-gd2cbfd4b-dirty (Apr 1 2008 - 18:26:02)

U-Boot code: 00000000 -> 0000e820 data: 00014010 -> 0001a658
SDRAM: 64 MB at address 0x10000000
Testing SDRAM...OK
malloc: Using memory from 0x13fa5000 to 0x13fe5000
DMA: Using memory from 0x13fa1000 to 0x13fa5000
Flash: 8 MB at address 0x00000000
DRAM Configuration:
Bank #0: 10000000 64 MB
In: serial
Out: serial
Err: serial
Net: macb0
Press SPACE to abort autoboot in 3 seconds
ICNova> setenv ipaddr 192.168.1.9
ICNova> setenv serverip 192.168.1.2
ICNova> nfs 11000000 192.168.1.2:/srv/nfs/boot/uImage
macb0: Starting autonegotiation...
macb0: Autonegotiation complete
macb0: link up, 100Mbps full-duplex (lpa: 0x45e1)
Using macb0 device
File transfer via NFS from server 192.168.1.2; our IP address is 192.168.1.9
Filename '/srv/nfs/boot/uImage'.
Load address: 0x11000000
Loading: #################################################################
#################################################################
#################################################################
#############################################
done
Bytes transferred = 1226370 (12b682 hex)
ICNova> setenv bootargs root=nfs nfsroot=192.168.1.2:/srv/nfs ip=192.168.1.9:192
.168.1.2::255.255.255.0::eth0:none
ICNova> boot
Unknown command 'boot' - try 'help'
ICNova>
ICNova> boot
partition changed to nor0,2
### JFFS2 loading '/boot/uImage' to 0x11000000
Scanning JFFS2 FS: .| Unknown node type: e002 len 3029 offset 0x4f684
Unknown node type: e002 len 3360 offset 0x6ffc0
/ Unknown node type: e002 len 3357 offset 0x8fa78
....... done.
### JFFS2 load complete: 1226370 bytes loaded to 0x11000000
## Booting image at 11000000 ...
Image Name: Linux-2.6.25.10.atmel.2
Image Type: AVR32 Linux Kernel Image (gzip compressed)
Data Size: 1226306 Bytes = 1.2 MB
Load Address: 10000000
Entry Point: 90000000
Verifying Checksum ... OK
Uncompressing Kernel Image ... OK

Starting kernel at 90000000 (params at 13fa5008)...

[[Category:AVR32-Boards|Grasshopper]]

AVR-GCC-Tutorial

2011-12-18T10:39:21Z

Mfgkw: /* Warteschleifen (delay.h) */

= Voraussetzungen =

Vorausgesetzt werden Grundkenntnisse der Programmiersprache C. Diese Kenntnisse kann man sich online erarbeiten, z. B. mit dem [http://www.schellong.de/c.htm C Tutorial von Helmut Schellong] ([[C|Liste von C-Tutorials]]). Nicht erforderlich sind Vorkenntnisse in der Programmierung von Mikrocontrollern, weder in Assembler noch in einer anderen Sprache.

= Vorwort =

Dieses Tutorial soll den Einstieg in die Programmierung von Atmel [[AVR]]-Mikrocontrollern in der Programmiersprache [[C]] mit dem freien C-Compiler [[AVR-GCC]] aus der [http://gcc.gnu.org/ GNU Compiler Collection] erleichtern.

In diesem Text wird häufig auf die Standardbibliothek avr-libc verwiesen, für die es eine [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Online-Dokumentation] gibt, in der sich auch viele nützliche Informationen zum Compiler und zur Programmierung von AVR Controllern finden (beim Paket WinAVR gehört die avr-libc Dokumentation zum Lieferumfang und wird mitinstalliert).

Der Compiler und die Standardbibliothek avr-libc werden stetig weiterentwickelt. Einige Unterschiede, die sich im Verlauf der Entwicklung ergeben haben, werden im Haupttext und Anhang zwar erläutert, Anfängern sei jedoch empfohlen, die aktuellen Versionen zu nutzen (für MS-Windows: aktuelle Version des [[WinAVR]]-Pakets; für Linux: siehe Artikel [[AVR und Linux]]).

Das ursprüngliche Tutorial stammt von Christian Schifferle, viele neue Abschnitte und aktuelle Anpassungen von Martin Thomas.

Dieses Tutorial ist in PDF-Form hier erhältlich (nicht immer auf aktuellem Stand):
[[Media:AVR-GCC-Tutorial.pdf]]

== Weiterführende Kapitel ==

Um dieses riesige Tutorial etwas überschaubarer zu gestalten, wurden einige Kapitel ausgelagert, die nicht unmittelbar mit den Grundlagen von avr-gcc in Verbindung stehen. All diese Seiten gehören zur [[:Kategorie:avr-gcc Tutorial]].
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Der UART|Der UART]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Der Watchdog|Der Watchdog]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Die Timer und Zähler des AVR|Die Timer und Zähler des AVR]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs Makefiles|Exkurs Makefiles]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/LCD-Ansteuerung|LCD-Ansteuerung]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Alte Quellen|Alte Quellen anpassen]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Assembler und Inline-Assembler|Assembler und Inline-Assembler]]

= Benötigte Werkzeuge =

Um eigene Programme für AVRs mittels avr-gcc/avr-libc zu erstellen und zu testen, wird folgende Hard- und Software benötigt:

* Platine oder Versuchsaufbau für die Aufnahme eines AVR Controllers, der vom avr-gcc Compiler unterstützt wird (alle ATmegas und die meisten AT90, siehe Dokumentation der avr-libc für unterstützte Typen). Dieses Testboard kann durchaus auch selbst gelötet oder auf einem Steckbrett aufgebaut werden. Einige Registerbeschreibungen dieses Tutorials beziehen sich auf den inzwischen veralteten AT90S2313. Der weitaus größte Teil des Textes ist aber für alle Controller der AVR-Familie gültig. Brauchbare Testplattformen sind auch das [[STK500]] und der [[AVR Butterfly]] von Atmel. Weitere Infos findet man in den Artikeln [[AVR#Starterkits|AVR Starterkits]] und [[AVR-Tutorial: Equipment]].

* Der avr-gcc Compiler und die avr-libc. Kostenlos erhältlich für nahezu alle Plattformen und Betriebssysteme. Für MS-Windows im Paket [[WinAVR]]; für Unix/Linux siehe auch Hinweise im Artikel [[AVR-GCC]] und im Artikel [[AVR und Linux]].

* Programmiersoftware und -[[AVR In System Programmer |hardware]] z. B. PonyProg (siehe auch: [[Pony-Prog Tutorial]]) oder [[AVRDUDE]] mit [[STK200]]-Dongle oder die von Atmel verfügbare Hard- und Software ([[STK500]], Atmel AVRISP, [[AVR-Studio]]).

* Nicht unbedingt erforderlich, aber zur Simulation und zum Debuggen unter MS-Windows recht nützlich: [[AVR-Studio]] (siehe Artikel [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs_Makefiles|Exkurs: Makefiles]]).

* Wer unter Windows und Linux gleichermassen entwickeln will, der sollte sich die [http://www.eclipse.org/ IDE Eclipse for C/C++ Developers] und das [http://avr-eclipse.sourceforge.net/wiki/index.php/The_AVR_Eclipse_Plugin AVR-Eclipse Plugin ] ansehen, beide sind unter Windows und Linux einfach zu installieren. Hier gibt es auch einen [[AVR_Eclipse|Artikel AVR Eclipse]] in dieser Wiki. Ebenfalls unter Linux und Windows verfügbar ist die Entwicklungsumgebung [http://www.codeblocks.org/ Code::Blocks] (aktuelle, stabile Versionen sind als Nightly Builds regelmäßig im [http://forums.codeblocks.org/ Forum] verfügbar). Innerhalb dieser Entwicklungsumgebung können ohne die Installation zusätzlicher Plugins "AVR-Projekte" angelegt werden. Für Linux gibt es auch noch das [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=25220&postdays=0&postorder=asc&start=0 KontrollerLab].

= Was tun, wenn's nicht klappt? =

* Herausfinden, ob es tatsächlich ein avr(-gcc) spezifisches Problem ist oder nur die eigenen C-Kenntnisse einer Auffrischung bedürfen. Allgemeine C-Fragen kann man eventuell "beim freundlichen Programmierer zwei Büro-, Zimmer- oder Haustüren weiter" loswerden. Ansonsten: [[C]]-Buch (gibt's auch "gratis" online) lesen.

* Die [[AVR Checkliste]] durcharbeiten.

* Die '''[http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc]''' lesen, vor allem (aber nicht nur) den Abschnitt Related Pages/'''Frequently Asked Questions''' = Oft gestellte Fragen (und Antworten dazu). Z.Zt leider nur in englischer Sprache verfügbar.

* Den Artikel [[AVR-GCC]] in diesem Wiki lesen.

* Das [http://www.mikrocontroller.net/forum/gcc GCC-Forum auf www.mikrocontroller.net] nach vergleichbaren Problemen absuchen.

* Das avr-gcc-Forum bei [http://www.avrfreaks.net AVRfreaks] nach vergleichbaren Problemen absuchen.

* Das [http://lists.gnu.org/archive/html/avr-gcc-list/ Archiv der avr-gcc Mailing-Liste] nach vergleichbaren Problemen absuchen.

* Nach Beispielcode suchen. Vor allem im ''Projects''-Bereich von [http://www.avrfreaks.net AVRfreaks] (anmelden).

* Google oder yahoo befragen schadet nie.

* Bei Problemen mit der Ansteuerung interner AVR-Funktionen mit C-Code: das Datenblatt des Controllers lesen (ganz und am Besten zweimal). Datenblätter sind auf den [http://www.atmel.com Atmel Webseiten] als pdf-Dateien verfügbar. Das komplette Datenblatt (complete) und nicht die Kurzfassung (summary) verwenden.

* Die Beispielprogramme im [[AVR-Tutorial]] sind zwar in AVR-Assembler verfasst, Erläuterungen und Vorgehensweisen sind aber auch auf C-Programme übertragbar.

* Einen Beitrag in eines der Foren oder eine Mail an die Mailing-Liste schreiben. Dabei möglichst viel Information geben: Controller, Compilerversion, genutzte Bibliotheken, Ausschnitte aus dem Quellcode oder besser ein [http://www.mikrocontroller.net/topic/72767#598986 Testprojekt] mit allen notwendigen Dateien, um das Problem nachzuvollziehen, sowie genaue Fehlermeldungen bzw. Beschreibung des Fehlverhaltens. Bei Ansteuerung externer Geräte die Beschaltung beschreiben oder skizzieren (z. B. mit [http://www.tech-chat.de/ Andys ASCII Circuit]). Siehe dazu auch: '''[http://www.tty1.net/smart-questions_de.html "Wie man Fragen richtig stellt"]'''.

= Erzeugen von Maschinencode =

Aus dem C-Quellcode erzeugt der avr-gcc Compiler (zusammen mit Hilfsprogrammen wie z. B. Präprozessor, Assembler und Linker) Maschinencode für den AVR-Controller. Üblicherweise liegt dieser Code dann im Intel Hex-Format vor ("Hex-Datei"). Die Programmiersoftware (z. B. [[AVRDUDE]], PonyProg oder AVRStudio/STK500-plugin) liest diese Datei ein und überträgt die enthaltene Information (den Maschinencode) in den Speicher des Controllers. Im Prinzip sind also "nur" der avr-gcc-Compiler (und wenige Hilfsprogramme) mit den "richtigen" Optionen aufzurufen, um aus C-Code eine "Hex-Datei" zu erzeugen. Grundsätzlich stehen dazu zwei verschiedene Ansätze zur Verfügung:

* Die Verwendung einer integrierten Entwicklungsumgebung (IDE = '''I'''ntegrated '''D'''evelopment '''E'''nvironment), bei der alle Einstellungen z. B. in Dialogboxen durchgeführt werden können. Unter Anderem kann AVRStudio ab Version 4.12 (kostenlos auf [http://www.atmel.com/ atmel.com]) zusammen mit WinAVR als integrierte Entwicklungsumgebung für den Compiler avr-gcc genutzt werden (dazu müssen AVRStudio und WinAVR auf dem Rechner installiert sein). Weitere IDEs (ohne Anspruch auf Vollständigkeit): [http://www.eclipse.org/ Eclipse for C/C++ Developers] (d.h. inkl. CDT) und das [http://avr-eclipse.sourceforge.net/wiki/index.php/The_AVR_Eclipse_Plugin AVR-Eclipse Plugin] (für diverse Plattformen, u.a. Linux und MS Windows, IDE und Plugin kostenlos), [http://sourceforge.net/projects/kontrollerlab KontrollerLab] (Linux/KDE, kostenlos). [http://www.atmanecl.com/EnglishSite/SoftwareEnglish.htm AtmanAvr] (MS Windows, relativ günstig), KamAVR (MS-Windows, kostenlos, wird augenscheinlich nicht mehr weiterentwickelt), [http://www.amctools.com/vmlab.htm VMLab] (MS Windows, ab Version 3.12 ebenfalls kostenlos). Integrierte Entwicklungsumgebungen unterscheiden sich stark in Ihrer Bedienung und stehen auch nicht für alle Plattformen zur Verfügung, auf denen der Compiler ausführbar ist (z. B. AVRStudio nur für MS-Windows). Zur Anwendung des avr-gcc Compilers mit IDEs sei hier auf deren Dokumentation verwiesen.

* Die Nutzung des Programms make mit passenden Makefiles. In den folgenden Abschnitten wird die Generierung von Maschinencode für einen AVR ("hex-Datei") aus C-Quellcode ("c-Dateien") anhand von "make" und den "Makefiles" näher erläutert. Viele der darin beschriebenen Optionen findet man auch im Konfigurationsdialog des avr-gcc-Plugins von AVRStudio (AVRStudio generiert ein makefile in einem Unterverzeichnis des Projektverzeichnisses).

Beim Wechsel vom makefile-Ansatz nach WinAVR-Vorlage zu AVRStudio ist darauf zu achten, dass AVRStudio (Stand: AVRStudio Version 4.13) bei einem neuen Projekt die Optimierungsoption (vgl. Artikel [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs_Makefiles|AVR-GCC-Tutorial/Exkurs: Makefiles]], typisch: -Os) nicht einstellt und die mathematische Bibliothek der avr-libc (libm.a, Linker-Option -lm) nicht einbindet. (Hinweis: Bei Version 4.16 wird beides bereits gesetzt). Beides ist Standard bei Verwendung von makefiles nach WinAVR-Vorlage und sollte daher auch im Konfigurationsdialog des avr-gcc-Plugins von AVRStudio "manuell" eingestellt werden, um auch mit AVRStudio kompakten Code zu erzeugen.

= Einführungsbeispiel =

Zum Einstieg ein kleines Beispiel, an dem die Nutzung des Compilers und der Hilfsprogramme (der sogenannten ''Toolchain'') demonstriert wird. Detaillierte Erläuterungen folgen in den weiteren Abschnitten dieses Tutorials.

Das Programm soll auf einem AVR Mikrocontroller einige Ausgänge ein- und andere ausschalten. Das Beispiel ist für einen ATmega16 programmiert ([http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2466.pdf Datenblatt]), kann aber sinngemäß für andere Controller der AVR-Familie modifiziert werden.

Ein kurzes Wort zur Hardware: Bei diesem Programm werden alle Pins von PORTB auf Ausgang gesetzt, und einige davon werden auf HIGH andere auf LOW gesetzt. Das kann je nach angeschlossener Hardware an diesen Pins kritisch sein. Am ungefährlichsten ist es, wenn nichts an den Pins angeschlossen ist und man die Funktion des Programmes durch eine Spannungsmessung mit einem Multimeter kontrolliert. Die Spannung wird dabei zwischen GND-Pin und den einzelnen Pins von PORTB gemessen.

Zunächst der Quellcode der Anwendung, der in einer Text-Datei mit dem Namen ''main.c'' abgespeichert wird.

<c>
/* Alle Zeichen zwischen Schrägstrich-Stern
und Stern-Schrägstrich sind Kommentare */

// Zeilenkommentare sind ebenfalls möglich
// alle auf die beiden Schrägstriche folgenden
// Zeichen einer Zeile sind Kommentar

#include <avr/io.h> // (1)

int main (void) { // (2)

DDRB = 0xFF; // (3)
PORTB = 0x03; // (4)

while(1) { // (5)
/* "leere" Schleife*/ // (6)
} // (7)

/* wird nie erreicht */
return 0; // (8)
}
</c>

# In dieser Zeile wird eine sogenannte Header-Datei eingebunden. In <code>avr/io.h</code> sind die Registernamen definiert, die im späteren Verlauf genutzt werden. Auch unter Windows wird ein <code>/</code> zur Kennzeichnung von Unterverzeichnissen in Include-Dateinamen verwendet und kein <code>\</code>.
# Hier beginnt das eigentliche Programm. Jedes C-Programm beginnt mit den Anweisungen in der Funktion <code>main</code>.
# Die Anschlüsse eines AVR ("Beinchen") werden zu Blöcken zusammengefasst, einen solchen Block bezeichnet man als Port. Beim ATmega16 hat jeder Port 8 Anschlüsse, bei kleineren AVRs können einem Port auch weniger als 8 Anschlüsse zugeordnet sein. Da per Definition (Datenblatt) alle gesetzten Bits in einem Datenrichtungsregister den entsprechenden Anschluss auf Ausgang schalten, werden mit DDRB=0xff alle Anschlüsse des Ports B als Ausgänge eingestellt.
# stellt die Werte der Ausgänge ein. Die den ersten beiden Bits des Ports zugeordneten Anschlüsse (PB0 und PB1) werden 1, alle anderen Anschlüsse des Ports B (PB2-PB7) zu 0. Aktivierte Ausgänge (logisch 1 oder "high") liegen auf Betriebsspannung (VCC, meist 5 Volt), nicht aktivierte Ausgänge führen 0 Volt (GND, Bezugspotential). Es ist sinnvoll, sich möglichst frühzeitig eine alternative Schreibweise beizubringen, die wegen der leichteren Überprüfbarkeit und Portierbarkeit oft im weiteren Tutorial und in Forenbeiträgen benutzt wird. Die Zuordnung sieht in diesem Fall so aus, Näheres dazu im Artikel [[Bitmanipulation]]:<c>PORTB = (1<<PB1) | (1<<PB0);</c>
# ist der Beginn der sogenannte ''Hauptschleife'' (main-loop). Dies ist eine Endlosschleife, welche kontinuierlich wiederkehrende Befehle enthält.
# In diesem Beispiel ist die Hauptschleife leer. Der Controller durchläuft die Schleife immer wieder, ohne dass etwas passiert. Eine solche Schleife ist notwendig, da es auf dem Controller kein Betriebssystem gibt, das nach Beendigung des Programmes die Kontrolle übernehmen könnte. Ohne diese Schleife kehrt das Programm aus <code>main</code> zurück, alle Interrupts werden deaktiviert und eine Endlosschleife betreten.
# Ende der Hauptschleife und Sprung zur passenden, öffnenden Klammer, also zu 5.
# ist das Programmende. Die Zeile ist nur aus Gründen der C-Kompatibilität enthalten: <c>int main(void)</c> besagt, dass die Funktion einen int-Wert zurückgibt. Die Anweisung wird aber nicht erreicht, da das Programm die Hauptschleife nie verlässt.

Um diesen Quellcode in ein lauffähiges Programm zu übersetzen, wird hier ein Makefile genutzt. Das verwendete Makefile findet sich auf der Seite [[Beispiel Makefile]] und basiert auf der Vorlage, die in WinAVR mitgeliefert wird und wurde bereits angepasst (Controllertyp ATmega16). Man kann das Makefile bearbeiten und an andere Controller anpassen oder sich mit dem Programm MFile menügesteuert ein Makefile "zusammenklicken". Das Makefile speichert man unter dem Namen <code>Makefile</code> (ohne Endung) im selben Verzeichnis, in dem auch die Datei <code>main.c</code> mit dem Programmcode abgelegt ist. Detailliertere Erklärungen zur Funktion von Makefiles finden sich im Artikel [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs_Makefiles|Exkurs: Makefiles]].

<pre>
D:\beispiel>dir

Verzeichnis von D:\beispiel

28.11.2006 22:53 <DIR> .
28.11.2006 22:53 <DIR> ..
28.11.2006 20:06 118 main.c
28.11.2006 20:03 16.810 Makefile
2 Datei(en) 16.928 Bytes
</pre>

Nun gibt man ''make all'' ein. Falls das mit WinAVR installierte Programmers Notepad genutzt wird, gibt es dazu einen Menüpunkt im Tools Menü. Sind alle Einstellungen korrekt, entsteht eine Datei <code>main.hex</code>, in welcher der Code für den AVR enthalten ist.
<pre>
D:\beispiel>make all

-------- begin --------
avr-gcc (GCC) 3.4.6
Copyright (C) 2006 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions. There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

Compiling C: main.c
avr-gcc -c -mmcu=atmega16 -I. -gdwarf-2 -DF_CPU=1000000UL -Os -funsigned-char -f
unsigned-bitfields -fpack-struct -fshort-enums -Wall -Wstrict-prototypes -Wundef
-Wa,-adhlns=obj/main.lst -std=gnu99 -Wundef -MD -MP -MF .dep/main.o.d main.c -
o obj/main.o

Linking: main.elf
avr-gcc -mmcu=atmega16 -I. -gdwarf-2 -DF_CPU=1000000UL -Os -funsigned-char -funs
igned-bitfields -fpack-struct -fshort-enums -Wall -Wstrict-prototypes -Wundef -W
a,-adhlns=obj/main.o -std=gnu99 -Wundef -MD -MP -MF .dep/main.elf.d obj/main.o
--output main.elf -Wl,-Map=main.map,--cref -lm

Creating load file for Flash: main.hex
avr-objcopy -O ihex -R .eeprom main.elf main.hex
</pre>

Der Inhalt der hex-Datei kann nun zum Controller übertragen werden. Dies kann z. B. über In-System-Programming ([[ISP]]) erfolgen, das im [[AVR-Tutorial: Equipment]] beschrieben ist. Makefiles nach der WinAVR/MFile-Vorlage sind für die Nutzung des Programms [[AVRDUDE]] vorbereitet. Wenn man den Typ und Anschluss des Programmiergerätes richtig eingestellt hat, kann mit ''make program'' die Übertragung mittels AVRDUDE gestartet werden. Jede andere Software, die hex-Dateien lesen und zu einem AVR übertragen kann<ref>z. B. [[Pony-Prog_Tutorial|Ponyprog]], yapp, AVRStudio</ref>, kann natürlich ebenfalls genutzt werden.

Startet man nun den Controller (Reset-Taster oder Stromzufuhr aus/an), werden vom Programm die Anschlüsse PB0 und PB1 auf 1 gesetzt. Man kann mit einem Messgerät nun an diesem Anschluss die Betriebsspannung messen oder eine [[LED]] leuchten lassen (Anode an den Pin, Vorwiderstand nicht vergessen). An den Anschlüssen PB2-PB7 misst man 0 Volt. Eine mit der Anode mit einem dieser Anschlüsse verbundene LED leuchtet nicht.

= Ganzzahlige (Integer) Datentypen =

Bei der Programmierung von Mikrokontrollern ist die Definition einiger ganzzahliger Datentypen sinnvoll, an denen eindeutig die Bit-Länge abgelesen werden kann.

Standardisierte Datentypen werden in der Header-Datei <code>stdint.h</code> definiert, die folgendermaßen eingebunden werden kann:
<c>#include <stdint.h></c>

{| {{Tabelle}}
|+ '''int-Typen aus <code>stdint.h</code> (C99)'''  
|- bgcolor="#d0d0ff"
!colspan="5"| Vorzeichenbehaftete int-Typen
|- bgcolor="#e8e8ff"
! Typname || Bit-Breite ||colspan="2"| Wertebereich
|align="center| '''C-Entsprechung''' (avr-gcc)
|-
|<code>int8_t</code> ||align="right"| 8 || −128 ⋯ 127 || −27 ⋯ 27−1 || <code>signed char</code>
|-
|<code>int16_t</code> ||align="right"| 16 || −32768 ⋯ 32767 || −215 ⋯ 215−1 || <code>signed short</code>, <code>signed int</code>
|-
|<code>int32_t</code> ||align="right"| 32 || −2147483648 ⋯ 2147483647 || −231 ⋯ 231−1 || <code>signed long</code>
|-
|<code>int64_t</code> ||align="right"| 64 || −9223372036854775808 ⋯ 9223372036854775807 || −263 ⋯ 263−1 || <code>signed long long</code>
|- bgcolor="#d0d0ff"
!colspan="5"| Vorzeichenlose int-Typen
|- bgcolor="#e8e8ff"
! Typname || Bit-Breite ||colspan="2"| Wertebereich
|align="center| '''C-Entsprechung''' (avr-gcc)
|-
|<code>uint8_t</code> ||align="right"| 8 || 0 ⋯ 255 || 0 ⋯ 28−1 || <code>unsigned char</code>
|-
|<code>uint16_t</code> ||align="right"| 16 || 0 ⋯ 65535 || 0 ⋯ 216−1 || <code>unsigned short</code>, <code>unsigned int</code>
|-
|<code>uint32_t</code> ||align="right"| 32 || 0 ⋯ 4294967295 || 0 ⋯ 232−1 || <code>unsigned long</code>
|-
|<code>uint64_t</code> ||align="right"| 64 || 0 ⋯ 18446744073709551615 || 0 ⋯ 264−1 || <code>unsigned long long</code>
|}

Neben den Typen gibt es auch Makros für die Bereichsgrenzen wie <code>INT8_MIN</code> oder <code>UINT16_MAX</code>. Siehe dazu auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__avr__stdint.html Dokumentation der avr-libc: Standard Integer Types].

= Bitfelder =

Beim Programmieren von Mikrocontrollern muss auf jedes Byte oder sogar auf
jedes Bit geachtet werden. Oft müssen wir in einer Variablen lediglich den
Zustand 0 oder 1 speichern. Wenn wir nun zur Speicherung eines einzelnen Wertes
den kleinsten bekannten Datentypen, nämlich '''unsigned char''', nehmen, dann
verschwenden wir 7 Bits, da ein '''unsigned char''' ja 8 Bits breit ist.

Hier bietet uns die Programmiersprache C ein mächtiges Werkzeug an, mit dessen
Hilfe wir 8 Bits in eine einzelne Bytevariable zusammenfassen und (fast) wie
8 einzelne Variablen ansprechen können. Die Rede ist von sogenannten Bitfeldern. Diese werden als Strukturelemente definiert. Sehen wir uns dazu doch am besten gleich ein Beispiel an:

<c>
struct {
unsigned bStatus_1:1; // 1 Bit für bStatus_1
unsigned bStatus_2:1; // 1 Bit für bStatus_2
unsigned bNochNBit:1; // Und hier noch mal ein Bit
unsigned b2Bits:2; // Dieses Feld ist 2 Bits breit
// All das hat in einer einzigen Byte-Variable Platz.
// die 3 verbleibenden Bits bleiben ungenutzt
} x;
</c>

Der Zugriff auf ein solches Feld erfolgt nun, wie beim Strukturzugriff bekannt,
über den Punkt- oder den Dereferenzierungs-Operator:

<c>
x.bStatus_1 = 1;
x.bStatus_2 = 0;
x.b2Bits = 3;
</c>

Bitfelder sparen Platz im RAM, zu Lasten von Platz im Flash, verschlechtern aber unter Umständen die Les- und Wartbarkeit des Codes. Anfängern wird deshalb geraten, ein "ganzes" Byte (uint8_t) zu nutzen, auch wenn nur ein Bitwert gespeichert werden soll.

= Grundsätzlicher Programmaufbau eines µC-Programms =

Wir unterscheiden zwischen 2 verschiedenen Methoden, um ein
Mikrocontroller-Programm zu schreiben, und zwar völlig unabhängig davon, in
welcher Programmiersprache das Programm geschrieben wird.

== Sequentieller Programmablauf ==

[[Image:Sequentielle Programme.gif|left]]
Bei dieser Programmiertechnik wird eine Endlosschleife programmiert, welche im
Wesentlichen immer den gleichen Aufbau hat. Es wird hier nach dem sogenannten EVA-Prinzip gehandelt. EVA steht für "Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe":
{{Absatz}}

== Interruptgesteuerter Programmablauf ==

[[Image:Interrupt Programme.gif|left]]
Bei dieser Methode werden beim Programmstart zuerst die gewünschten Interruptquellen aktiviert und dann in eine Endlosschleife gegangen, in welcher Dinge erledigt werden können, welche nicht zeitkritisch sind. Wenn ein Interrupt ausgelöst wird, so wird automatisch die zugeordnete Interruptfunktion ausgeführt.
{{Absatz}}

= Zugriff auf Register =

Die AVR-Controller verfügen über eine Vielzahl von Registern. Die meisten
davon sind sogenannte Schreib-/Leseregister. Das heißt, das Programm kann die
Inhalte der Register sowohl auslesen als auch beschreiben.

Register haben einen besonderen Stellenwert bei den AVR Controllern. Sie dienen dem Zugriff auf die Ports und die Schnittstellen des Controllers. Wir unterscheiden zwischen 8-Bit und 16-Bit Registern. Vorerst behandeln wir die 8-Bit Register.

Einzelne Register sind bei allen AVRs vorhanden, andere wiederum nur bei bestimmten Typen. So sind beispielsweise die Register, welche für den Zugriff auf den UART notwendig sind, selbstverständlich nur bei denjenigen Modellen vorhanden, welche über einen integrierten Hardware UART bzw. USART verfügen.

Die Namen der Register sind in den Headerdateien zu den entsprechenden AVR-Typen definiert. Dazu muss man den Namen der controllerspezifischen Headerdatei nicht kennen. Es reicht aus, die allgemeine Headerdatei ''avr/io.h'' einzubinden:

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

Ist im Makefile der MCU-Typ z. B. mit dem Inhalt atmega8 definiert (und wird somit per -mmcu=atmega8 an den Compiler übergeben), wird beim Einlesen der io.h-Datei implizit ("automatisch") auch die iom8.h-Datei mit den Register-Definitionen für den ATmega8 eingelesen.


Intern wird diese "Automatik" wie folgt realisiert: Der Controllertyp wird dem Compiler als Parameter übergeben (vgl. ''avr-gcc -c -mmcu=atmega16 [...]'' im Einführungsbeispiel). Wird ein Makefile nach der WinAVR/mfile-Vorlage verwendet, setzt man die Variable ''MCU'', der Inhalt dieser Variable wird dann an passender Stelle für die Compilerparameter verwendet. Der Compiler definiert intern eine dem mmcu-Parameter zugeordnete "Variable" (genauer: ein Makro) mit dem Namen des Controllers, vorangestelltem ''__AVR_'' und angehängten Unterstrichen (z. B. wird bei ''-mmcu=atmega16'' das Makro ''__AVR_ATmega16__'' definiert). Beim Einbinden der Header-Datei ''avr/io.h'' wird geprüft, ob das jeweilige Makro definiert ist und die zum Controller passende Definitionsdatei eingelesen. Zur Veranschaulichung einige Ausschnitte aus einem Makefile:

<pre>
[...]
# MCU Type ("name") setzen:
MCU = atmega16
[...]

[...]
## Verwendung des Inhalts von MCU (hier atmega16) fuer die
## Compiler- und Assembler-Parameter
ALL_CFLAGS = -mmcu=$(MCU) -I. $(CFLAGS) $(GENDEPFLAGS)
ALL_CPPFLAGS = -mmcu=$(MCU) -I. -x c++ $(CPPFLAGS) $(GENDEPFLAGS)
ALL_ASFLAGS = -mmcu=$(MCU) -I. -x assembler-with-cpp $(ASFLAGS)
[...]

[...]
## Aufruf des Compilers:
## mit den Parametern ($(ALL_CFLAGS) ist -mmcu=$(MCU)[...] = -mmcu=atmega16[...]
$(OBJDIR)/%.o : %.c
@echo
@echo $(MSG_COMPILING) $<
$(CC) -c $(ALL_CFLAGS) $< -o $@
[...]
</pre>

Da --mmcu=atmega16 übergeben wurde, wird __AVR_ATmega16__ definiert und kann in avr/io.h zur Fallunterscheidung genutzt werden:

<c>
// avr/io.h
// (bei WinAVR-Standardinstallation in C:\WinAVR\avr\include\avr)
[...]
#if defined (__AVR_AT94K__)
# include <avr/ioat94k.h>
// [...]
#elif defined (__AVR_ATmega16__)
// da __AVR_ATmega16__ definiert ist, wird avr/iom16.h eingebunden:
# include <avr/iom16.h>
// [...]
#else
# if !defined(__COMPILING_AVR_LIBC__)
# warning "device type not defined"
# endif
#endif
</c>

Die Beispiele in den folgenden Abschnitten demonstrieren den Zugriff auf Register anhand der Register für I/O-Ports (PORTx, DDRx, PINx), die Vorgehensweise ist jedoch für alle Register (z. B. die des UART, ADC, SPI) analog.

== Schreiben in Register ==

Zum Schreiben kann man Register einfach wie eine Variable setzen.<ref>In Quellcodes, die für ältere Versionen des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, erfolgt der Schreibzugriff über die Funktion outp(). Aktuelle Versionen des Compilers unterstützen den Zugriff nun direkt, outp() ist nicht mehr erforderlich.</ref>

Beispiel:

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

int main()
{
/* Setzt das Richtungsregister des Ports A auf 0xff
(alle Pins als Ausgang, vgl. Abschnitt Zugriff auf Ports): */
DDRA = 0xff;

/* Setzt PortA auf 0x03, Bit 0 und 1 "high", restliche "low": */
PORTA = 0x03;

// Setzen der Bits 0,1,2,3 und 4
// Binär 00011111 = Hexadezimal 1F
DDRB = 0x1F; /* direkte Zuweisung - unübersichtlich */

/* Ausführliche Schreibweise: identische Funktionalität, mehr Tipparbeit
aber übersichtlicher und selbsterklärend: */
DDRB = (1 << DDB0) | (1 << DDB1) | (1 << DDB2) | (1 << DDB3) | (1 << DDB4);

while (1);
}
</c>

Die ausführliche Schreibweise sollte bevorzugt verwendet werden, da dadurch die Zuweisungen selbsterklärend sind und somit der Code leichter nachvollzogen werden kann. Atmel verwendet sie auch bei Beispielen in Datenblätten und in den allermeisten Quellcodes zu Application-Notes. Mehr zu der Schreibweise mit "|" und "<<" findet man unter [[Bitmanipulation]].

Der gcc C-Compiler unterstützt ab Version 4.3.0 Konstanten im Binärformat, z. B. DDRB = 0b00011111. Diese Schreibweise ist jedoch nur in GNU-C verfügbar und nicht in ISO-C definiert. Man sollte sie daher nicht verwenden, wenn Code mit anderen ausgetauscht oder mit anderen Compilern bzw. älteren Versionen des gcc genutzt werden soll.

== Verändern von Registerinhalten ==

Einzelne Bits setzt und löscht man "Standard-C-konform" mittels logischer (Bit-) Operationen.

<c>
x |= (1 << Bitnummer); // Hiermit wird ein Bit in x gesetzt
x &= ~(1 << Bitnummer); // Hiermit wird ein Bit in x geloescht
</c>

Es wird jeweils nur der Zustand des angegebenen Bits geändert, der vorherige Zustand der anderen Bits bleibt erhalten.

Beispiel:
<c>
#include <avr/io.h>
...
#define MEINBIT 2
...
PORTA |= (1 << MEINBIT); /* setzt Bit 2 an PortA auf 1 */
PORTA &= ~(1 << MEINBIT); /* loescht Bit 2 an PortA */
</c>

Mit dieser Methode lassen sich auch mehrere Bits eines Registers gleichzeitig setzen und löschen.

Beispiel:
<c>
#include <avr/io.h>
...
DDRA &= ~( (1<<PA0) | (1<<PA3) ); /* PA0 und PA3 als Eingaenge */
PORTA |= (1<<PA0) | (1<<PA3); /* Interne Pull-Up fuer beide einschalten */
</c>

Bei bestimmten AVR Registern mit Bits, die durch Beschreiben mit einer logischen 1 gelöscht werden, muss eine absolute Zuweisung benutzt werden. Ein ODER löscht in diesen Registern ALLE gesetzten Bits!

Beispiel:
<c>
#include <avr/io.h>
...
TIFR2 = (1<<OCF2A); // Nur Bit OCF2A löschen
</c>

In Quellcodes, die für ältere Version den des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, werden einzelne Bits mittels der Funktionen sbi und cbi gesetzt bzw. gelöscht. Beide Funktionen sind nicht mehr erforderlich.

Siehe auch:
* [[Bitmanipulation]]
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Special Function Registers

== Lesen aus Registern ==

Zum Lesen kann man auf Register einfach wie auf eine Variable zugreifen. In Quellcodes, die für ältere Versionen des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, erfolgt der Lesezugriff über die Funktion inp(). Aktuelle Versionen des Compilers unterstützen den Zugriff nun direkt und inp() ist nicht mehr erforderlich.

Beispiel:

<c>
#include <avr/io.h>
#include <stdint.h>

uint8_t foo;

//...

int main(void)
{
/* kopiert den Status der Eingabepins an PortB
in die Variable foo: */
foo = PINB;
//...
}
</c>

Die Abfrage der Zustände von Bits erfolgt durch Einlesen des gesamten Registerinhalts und ausblenden der Bits deren Zustand nicht von Interesse ist. Einige Beispiele zum Prüfen ob Bits gesetzt oder gelöscht sind:

<c>
#define MEINBIT0 0
#define MEINBIT2 2

uint8_t i;

extern test1();

// Funkion test1 aufrufen, wenn Bit 0 in Register PINA gesetzt (1) ist
i = PINA; // Inhalt in Arbeitsvariable
i = i & 0x01; // alle Bits bis auf Bit 0 ausblenden (logisches und)
// falls das Bit gesetzt war, hat i den Inhalt 1
if ( i != 0 ) { // Ergebnis ungleich 0 (wahr)?
test1(); // dann muss Bit 0 in i gesetzt sein -> Funktion aufrufen
}
// verkürzt:
if ( ( PINA & 0x01 ) != 0 ) {
test1();
}
// nochmals verkürzt:
if ( PINA & 0x01 ) {
test1();
}
// mit definierter Bitnummer:
if ( PINA & ( 1 << MEINBIT0 ) ) {
test1();
}

// Funktion aufrufen, wenn Bit 0 und/oder Bit 2 gesetzt ist. (Bit 0 und 2 also Wert 5)
// (Bedenke: Bit 0 hat Wert 1, Bit 1 hat Wert 2 und Bit 2 hat Wert 4)
if ( PINA & 0x05 ) {
test1(); // Vergleich <> 0 (wahr), also mindestens eines der Bits gesetzt
}
// mit definierten Bitnummern:
if ( PINA & ( ( 1 << MEINBIT0 ) | ( 1 << MEINBIT2 ) ) ) {
test1();
}

// Funktion aufrufen, wenn Bit 0 und Bit 2 gesetzt sind
if ( ( PINA & 0x05 ) == 0x05 ) { // nur wahr, wenn beide Bits gesetzt
test1();
}

// Funktion test2() aufrufen, wenn Bit 0 gelöscht (0) ist
i = PINA; // einlesen in temporäre Variable
i = i & 0x01; // maskieren von Bit 0
if ( i == 0 ) { // Vergleich ist wahr, wenn Bit 0 nicht gesetzt ist
test2();
}
// analog mit not-Operator
if ( !i ) {
test2();
}
// nochmals verkürzt:
if ( !( PINA & 0x01 ) ) {
test2();
}
</c>

== Warten auf einen bestimmten Zustand ==

Es gibt in der Bibliothek avr-libc Funktionen, die warten, bis ein bestimmter Zustand eines Bits erreicht ist. Es ist allerdings normalerweise eine eher unschöne Programmiertechnik, da in diesen Funktionen "blockierend" gewartet wird. Der Programmablauf bleibt also an dieser Stelle stehen, bis das maskierte Ereignis erfolgt ist. Setzt man den [[Watchdog]] ein, muss man darauf achten, dass dieser auch noch getriggert wird (Zurücksetzen des Watchdogtimers).

Die Funktion '''loop_until_bit_is_set''' wartet in einer Schleife, bis das definierte Bit gesetzt ist. Wenn das Bit beim Aufruf der Funktion bereits gesetzt ist, wird die Funktion sofort wieder verlassen. Das niederwertigste Bit hat die Bitnummer 0.

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

/* Warten bis Bit Nr. 2 (das dritte Bit) in Register PINA gesetzt (1) ist */

#define WARTEPIN PINA
#define WARTEBIT PA2

// mit der avr-libc Funktion:
loop_until_bit_is_set(WARTEPIN, WARTEBIT);

// dito in "C-Standard":
// Durchlaufe die (leere) Schleife solange das WARTEBIT in Register WARTEPIN
// _nicht_ ungleich 0 (also 0) ist.
while ( !(WARTEPIN & (1 << WARTEBIT)) ) {}
...
</c>

Die Funktion '''loop_until_bit_is_clear''' wartet in einer Schleife, bis das definierte Bit gelöscht ist. Wenn das Bit beim Aufruf der Funktion bereits gelöscht ist, wird die Funktion sofort wieder verlassen.

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

/* Warten bis Bit Nr. 4 (das fuenfte Bit) in Register PINB geloescht (0) ist */
#define WARTEPIN PINB
#define WARTEBIT PB4

// avr-libc-Funktion:
loop_until_bit_is_clear(WARTEPIN, WARTEBIT);

// dito in "C-Standard":
// Durchlaufe die (leere) Schleife solange das WARTEBIT in Register WARTEPIN
// gesetzt (1) ist
while ( WARTEPIN & (1<<WARTEBIT) ) {}
...
</c>

Universeller und auch auf andere Plattformen besser übertragbar ist die Verwendung von C-Standardoperationen.

Siehe auch:
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Special Function Registers
* [[Bitmanipulation]]

== 16-Bit Register (ADC, ICR1, OCR1x, TCNT1, UBRR) ==

Einige der Portregister in den AVR-Controllern sind 16 Bit breit. Im Datenblatt sind diese Register üblicherweise mit dem Suffix "L" (Low-Byte) und "H" (High-Byte) versehen. Die avr-libc definiert zusätzlich die meisten dieser Variablen die Bezeichnung ohne "L" oder "H". Auf diese Register kann dann direkt zugegriffen werden. Dies ist zum Beispiel der Fall für Register wie ADC oder TCNT1.
<c>
#include <avr/io.h>
...
uint16_t foo;

/* setzt die Wort-Variable foo auf den Wert der letzten AD-Wandlung */
foo = ADC;
</c>

Bei anderen Registern, wie zum Beispiel Baudraten-Register, liegen High- und Low-Teil nicht direkt nebeneinander im SFR-Bereich, so dass ein 16-Bit Zugriff nicht möglich ist und der Zugriff zusammengebastelt werden muss:

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

#ifndef F_CPU
#define F_CPU 3686400
#endif
#define UART_BAUD_RATE 9600

...
uint16_t baud = F_CPU / (UART_BAUD_RATE * 16L) -1;

UBRRH = (uint8_t) (baud >> 8);
UBRRL = (uint8_t) baud;
...
</c>

Bei einigen AVR-Typen wie ATmega8 oder ATmega16 teilen sich UBRRH und UCSRC die gleiche Speicher-Adresse. Damit der AVR trotzdem zwischen den beiden Registern unterscheiden kann, bestimmt das Bit7 (URSEL), welches Register tatsächlich beschrieben werden soll. ''1000 0011'' (0x83) adressiert demnach UCSRC und übergibt den Wert ''3'' und ''0000 0011'' (0x3) adressiert UBRRH und übergibt ebenfalls den Wert ''3''.

Speziell bei den 16-Bit-Timern und auch beim ADC ist es bei allen Zugriffen auf Datenregister erforderlich, dass diese Daten synchronisiert sind. Wenn z. B. bei einem 16-Bit-Timer das High-Byte des Zählregisters gelesen wurde und vor dem Lesezugriff auf das Low-Byte ein Überlauf des Low-Bytes stattfindet, erhält man einen völlig unsinnigen Wert. Auch die Compare-Register müssen synchron geschrieben werden, da es ansonsten zu unerwünschten Compare-Ereignissen kommen kann.

Beim ADC besteht das Problem darin, dass zwischen den Zugriffen auf die beiden Teilregister eine Wandlung beendet werden kann und der ADC ein neues Ergebnis in ADCL und ADCH schreiben will, wodurch High- und Low-Byte nicht zusammenpassen.

Um diese Datenmüllproduktion zu verhindern, gibt es in beiden Fällen eine Synchronisation, die jeweils durch den Zugriff auf das Low-Byte ausgelöst wird:
* Bei den Timer-Registern (das gilt für alle TCNT-, OCR- und ICR-Register bei den 16-Bit-Timern) wird bei einem ''Lesezugriff'' auf das Low-Byte automatisch das High-Byte in ein temporäres Register, das ansonsten nach außen nicht sichtbar ist, geschoben. Greift man nun ''anschließend'' auf das High-Byte zu, dann wird eben dieses temporäre Register gelesen.
* Bei einem ''Schreibzugriff'' auf eines der genannten Register wird das High-Byte in besagtem temporären Register zwischengespeichert und erst beim Schreiben des Low-Bytes werden ''beide'' gleichzeitig in das eigentliche Register übernommen.

Das bedeutet für die Reihenfolge:
* Lesezugriff: Erst Low-Byte, dann High-Byte
* Schreibzugriff: Erst High-Byte, dann Low-Byte

Des weiteren ist zu beachten, dass es für all diese 16-Bit-Register nur ein einziges temporäres Register gibt, so dass das Auftreten eines Interrupts, in dessen Handler ein solches Register manipuliert wird, bei einem durch ihn unterbrochenen Zugriff i.d.R. zu Datenmüll führt. 16-Bit-Zugriffe sind generell nicht atomar! Wenn mit Interrupts gearbeitet wird, kann es erforderlich sein, vor einem solchen Zugriff auf ein 16-Bit-Register die Interrupt-Bearbeitung zu deaktivieren.

Beim ADC-Datenregister ADCH/ADCL ist die Synchronisierung anders gelöst. Hier wird beim Lesezugriff (ADCH/ADCL sind logischerweise read-only) auf das Low-Byte ADCL beide Teilregister für Zugriffe seitens des ADC so lange gesperrt, bis das High-Byte ADCH ausgelesen wurde. Dadurch kann der ADC nach einem Zugriff auf ADCL keinen neuen Wert in ADCH/ADCL ablegen, bis ADCH gelesen wurde. Ergebnisse von Wandlungen, die zwischen einem Zugriff auf ADCL und ADCH beendet werden, gehen verloren!

Nach einem Zugriff auf ADCL muss grundsätzlich ADCH gelesen werden!

In beiden Fällen – also sowohl bei den Timern als auch beim ADC – werden vom C-Compiler 16-Bit Pseudo-Register zur Verfügung gestellt (z. B. TCNT1H/TCNT1L → TCNT1, ADCH/ADCL → ADC bzw. ADCW), bei deren Verwendung der Compiler automatisch die richtige Zugriffsreihenfolge regelt. In C-Programmen sollten grundsätzlich diese 16-Bit-Register verwendet werden! Sollte trotzdem ein Zugriff auf ein Teilregister erforderlich sein, sind obige Angaben zu berücksichtigen.

Es ist darauf zu achten, dass auch ein Zugriff auf die 16-Bit-Register vom Compiler in zwei 8-Bit-Zugriffe aufgeteilt wird und dementsprechend genauso nicht-atomar ist wie die Einzelzugriffe. Auch hier gilt, dass u.U. die Interrupt-Bearbeitung gesperrt werden muss, um Datenmüll zu vermeiden.

Beim ADC gibt es für den Fall, dass eine Auflösung von 8 Bit ausreicht, die Möglichkeit, das Ergebnis "linksbündig" in ADCH/ADCL auszurichten, so dass die relevanten 8 MSB in ADCH stehen. In diesem Fall muss bzw. sollte nur ADCH ausgelesen werden.

ADC und ADCW sind unterschiedliche Bezeichner für das selbe Registerpaar. Üblicherweise kann man in C-Programmen ADC verwenden, was analog zu den anderen 16-Bit-Registern benannt ist. ADCW (ADC Word) existiert nur deshalb, weil die Headerdateien auch für Assembler vorgesehen sind und es bereits einen Assembler-Befehl namens ''adc'' gibt.

Im Umgang mit 16-Bit Registern siehe auch:
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Related Pages/Frequently Asked Questions/Nr. 8
* Datenblatt Abschnitt ''Accessing 16-bit Registers''

== IO-Register als Parameter und Variablen ==

Um Register als Parameter für eigene Funktionen übergeben zu können, muss man sie als einen volatile uint8_t Pointer übergeben. Zum Beispiel:

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

uint8_t key_pressed (volatile uint8_t *inputreg, uint8_t inputbit)
{
static uint8_t last_state = 0;

if (last_state == (*inputreg & (1<<inputbit)))
return 0; /* keine Änderung */

/* Wenn doch, warten bis etwaiges Prellen vorbei ist: */
_delay_ms(20);

/* Zustand für nächsten Aufruf merken: */
last_state = *inputreg & (1<<inputbit);

/* und den entprellten Tastendruck zurückgeben: */
return *inputreg & (1<<inputbit);
}

/* Beispiel für einen Funktionsaufruf: */

void foo (void)
{
uint8_t i = key_pressed (&PINB, PB1);
}
</c>

Ein Aufruf der Funktion mit call by value würde Folgendes bewirken: Beim Funktionseintritt wird nur eine Kopie des momentanen Portzustandes angefertigt, die sich unabhängig vom tatsächlichen Zustand das Ports nicht mehr ändert, womit die Funktion wirkungslos wäre. Die Übergabe eines Zeigers wäre die Lösung, wenn der Compiler nicht optimieren würde. Denn dadurch wird im Programm nicht von der Hardware gelesen, sondern wieder nur von einem Abbild im Speicher. Das Ergebnis wäre das gleiche wie oben. Mit dem Schlüsselwort volatile sagt man nun dem Compiler, dass die entsprechende Variable entweder durch andere Softwareroutinen (Interrupts) oder durch die Hardware verändert werden kann.

Siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/FAQ.html#faq_port_pass avr-libc FAQ: "How do I pass an IO port as a parameter to a function?"]

= Zugriff auf IO-Ports =

Jeder AVR implementiert eine unterschiedliche Menge an GPIO-Registern
(GPIO - General Purpose Input/Output). Diese Register dienen dazu:
* einzustellen welche der Anschlüsse ("Beinchen") des Controllers als Ein- oder Ausgänge dienen
* bei Ausgängen deren Zustand festzulegen
* bei Eingängen deren Zustand zu erfassen

Mittels GPIO werden digitale Zustände gesetzt und erfasst, d.h. die Spannung an einem Ausgang wird ein- oder ausgeschaltet und an einem Eingang wird erfasst, ob die anliegende Spannung über oder unter einem bestimmten Schwellwert liegt. Im Datenblatt Abschnitt Electrical Characteristics/DC Characteristics finden sich die Spannungswerte (V_OL, V_OH für Ausgänge, V_IL, V_IH für Eingänge).

Die Verarbeitung von analogen Eingangswerten und die Ausgabe von Analogwerten wird in Kapitel [[AVR-GCC-Tutorial#Analoge_Ein-_und_Ausgabe|Analoge Ein- und Ausgabe]] behandelt.

Die physischen Ein- und Ausgänge werden bei AVR-Controllern zu logischen Ports gruppiert.

Alle Ports werden über Register gesteuert. Dazu sind jedem Port 3 Register zugeordnet:

{| class="wikitable"
|-
! DDRx
| Datenrichtungsregister für Port'''x'''.
'''x''' entspricht '''A''', '''B''', ''' C''', '''D''' usw. (abhängig von der Anzahl der Ports des verwendeten AVR). Bit im Register gesetzt (1) für Ausgang, Bit gelöscht (0) für Eingang.
|-
! PINx
| Eingangsadresse für Port'''x'''.
Zustand des Ports. Die Bits in PINx entsprechen dem Zustand der als Eingang definierten Portpins. Bit 1 wenn Pin "high", Bit 0 wenn Portpin low.
|-
! PORTx
| Datenregister für Port'''x'''.
Dieses Register wird verwendet, um die Ausgänge eines Ports anzusteuern. Bei Pins, die mittels DDRx auf Eingang geschaltet wurden, können über PORTx
die internen Pull-Up Widerstände aktiviert oder deaktiviert werden (1 = aktiv).
|}

Die folgenden Beispiele gehen von einem AVR aus, der sowohl Port A als auch Port B besitzt. Sie müssen für andere AVRs (zum Beispiel ATmega8/48/88/168) entsprechend angepasst werden.

== Datenrichtung bestimmen ==

Zuerst muss die Datenrichtung der verwendeten Pins bestimmt werden. Um dies zu erreichen, wird das Datenrichtungsregister des entsprechenden Ports beschrieben.

Für jeden Pin, der als Ausgang verwendet werden soll, muss dabei das
entsprechende Bit auf dem Port gesetzt werden. Soll der Pin als Eingang
verwendet werden, muss das entsprechende Bit gelöscht sein.

Beispiel:
Angenommen am Port B sollen die Pins 0 bis 4 als Ausgänge definiert werden, die noch verbleibenden Pins 5 bis 7 sollen als Eingänge fungieren. Dazu ist es daher notwendig, im für das Port B zuständigen Datenrichtungsregister DDRB folgende Bitkonfiguration einzutragen

+---+---+---+---+---+---+---+---+
| 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
+---+---+---+---+---+---+---+---+
7 6 5 4 3 2 1 0

In C liest sich das dann so:

<c>
// in io.h wird u.a. DDRB definiert:
#include <avr/io.h>

int main()
{
// Setzen der Bits 0,1,2,3 und 4
// Binär 00011111 = Hexadezimal 1F
// direkte Zuweisung - standardkonform */
DDRB = 0x1F; /*

// übersichtliche Alternative - Binärschreibweise, aber kein ISO-C
DDRB = 0b00011111;

// Ausführliche Schreibweise: identische Funktionalität, mehr Tipparbeit
// aber übersichtlicher und selbsterklärend:
DDRB = (1 << DDB0) | (1 << DDB1) | (1 << DDB2) | (1 << DDB3) | (1 << DDB4);
</c>

Die Pins 5 bis 7 werden (da 0) als Eingänge geschaltet. Weitere Beispiele:

<c>
// Alle Pins des Ports B als Ausgang definieren:
DDRB = 0xff;
// Pin0 wieder auf Eingang und andere im ursprünglichen Zustand belassen:
DDRB &= ~(1 << DDB0);
// Pin 3 und 4 auf Eingang und andere im ursprünglichen Zustand belassen:
DDRB &= ~((1 << DDB3) | (1 << DDB4));
// Pin 0 und 3 wieder auf Ausgang und andere im ursprünglichen Zustand belassen:
DDRB |= (1 << DDB0) | (1 << DDB3);
// Alle Pins auf Eingang:
DDRB = 0x00;
</c>

== Vordefinierte Bitnummern für I/O-Register ==

Die Bitnummern (z. B. PCx, PINCx und DDCx für den Port C) sind in den io*.h-Dateien der avr-libc definiert und dienen lediglich der besseren Lesbarkeit. Man muss diese Definitionen nicht verwenden oder kann auch einfach "immer" PAx, PBx, PCx usw. nutzen, auch wenn der Zugriff auf Bits in DDRx- oder PINx-Registern erfolgt. Für den Compiler sind die Ausdrücke (1<<PC7), (1<<DDC7) und (1<<PINC7) identisch zu (1<<7) (genauer: der Präprozessor ersetzt die Ausdrücke (1<<PC7),... zu (1<<7)). Ein Ausschnitt der Definitionen für Port C eines ATmega32 aus der iom32.h-Datei zur Verdeutlichung (analog für die weiteren Ports):

<c>
...
/* PORTC */
#define PC7 7
#define PC6 6
#define PC5 5
#define PC4 4
#define PC3 3
#define PC2 2
#define PC1 1
#define PC0 0

/* DDRC */
#define DDC7 7
#define DDC6 6
#define DDC5 5
#define DDC4 4
#define DDC3 3
#define DDC2 2
#define DDC1 1
#define DDC0 0

/* PINC */
#define PINC7 7
#define PINC6 6
#define PINC5 5
#define PINC4 4
#define PINC3 3
#define PINC2 2
#define PINC1 1
#define PINC0 0
</c>

== Digitale Signale ==

Am einfachsten ist es, digitale Signale mit dem Mikrocontroller zu erfassen bzw. auszugeben.

== Ausgänge ==
Will man als Ausgang definierte Pins (entsprechende DDRx-Bits = 1) auf Logisch 1 setzen, setzt man die entsprechenden Bits im Portregister.

Mit dem Befehl
<c>
#include <avr/io.h>
...
PORTB = 0x04; /* besser PORTB=(1<<PB2) */

// übersichtliche Alternative - Binärschreibweise
PORTB = 0b00000100; /* direkte Zuweisung - übersichtlich */

</c>
wird also der Ausgang an Pin PB2 gesetzt (Beachte, dass die Bits immer ''von 0 an'' gezählt werden, das niederwertigste Bit ist also Bitnummer 0 und nicht etwa Bitnummer 1).

Man beachte, dass bei der Zuweisung mittels '''=''' immer alle Pins gleichzeitig angegeben werden. Man sollte also, wenn nur bestimmte Ausgänge geschaltet werden sollen, zuerst den aktuellen Wert des Ports einlesen und das Bit des gewünschten Ports in diesen Wert einfließen lassen. Will man also nur den dritten Pin (Bit Nr. 2) an Port B auf "high" setzen und den Status der anderen Ausgänge unverändert lassen, nutze man diese Form:

<c>
#include <avr/io.h>
...
PORTB = PORTB | 0x04; /* besser: PORTB = PORTB | ( 1<<PB2 ) */
/* vereinfacht durch Nutzung des |= Operators : */
PORTB |= (1<<PB2);

/* auch mehrere "gleichzeitig": */
PORTB |= (1<<PB4) | (1<<PB5); /* Pins PB4 und PB5 "high" */
</c>

"Ausschalten", also Ausgänge auf "low" setzen, erfolgt analog:

<c>
#include <avr/io.h>
...
PORTB &= ~(1<<PB2); /* löscht Bit 2 in PORTB und setzt damit Pin PB2 auf low */
PORTB &= ~( (1<<PB4) | (1<<PB5) ); /* Pin PB4 und Pin PB5 "low" */
</c>
Siehe auch [[Bitmanipulation]]

In Quellcodes, die für ältere Version den des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, werden einzelne Bits mittels der Funktionen sbi und cbi gesetzt bzw. gelöscht. Beide Funktionen sind in aktuellen Versionen der avr-libc nicht mehr enthalten und auch nicht mehr erforderlich.

''Falls der Anfangszustand von Ausgängen kritisch ist, muss die Reihenfolge beachtet werden, mit der die Datenrichtung (DDRx) eingestellt und der Ausgabewert (PORTx) gesetzt wird:''

Für Ausgangspins, die mit Anfangswert "high" initialisiert werden sollen:
* zuerst die Bits im PORTx-Register setzen
* anschließend die Datenrichtung auf Ausgang stellen

Daraus ergibt sich die Abfolge für einen Pin, der bisher als Eingang mit abgeschaltetem Pull-Up konfiguriert war:
* setze PORTx: interner Pull-Up aktiv
* setze DDRx: Ausgang ("high")

Bei der Reihenfolge erst DDRx und dann PORTx kann es zu einem kurzen "low-Puls" kommen, der auch externe Pull-Up-Widerstände "überstimmt". Die (ungünstige) Abfolge: Eingang -> setze DDRx: Ausgang (auf "low", da PORTx nach Reset 0) -> setze PORTx: Ausgang auf high. Vergleiche dazu auch das Datenblatt Abschnitt ''Configuring the Pin''.

== Eingänge (Wie kommen Signale in den µC) ==

Die digitalen Eingangssignale können auf verschiedene Arten zu unserer Logik gelangen.

=== Signalkopplung ===

Am einfachsten ist es, wenn die Signale direkt aus einer anderen digitalen Schaltung übernommen werden können. Hat der Ausgang der entsprechenden Schaltung TTL-Pegel dann können wir sogar direkt den Ausgang der Schaltung mit einem Eingangspin von unserem Controller verbinden.

Hat der Ausgang der anderen Schaltung keinen TTL-Pegel so müssen wir den Pegel über entsprechende Hardware (z. B. Optokoppler, [[Widerstand#Spannungsteiler|Spannungsteiler]], "Levelshifter" aka [[Pegelwandler]]) anpassen.

Die Masse der beiden Schaltungen muss selbstverständlich miteinander verbunden werden. Der Software selber ist es natürlich letztendlich egal, wie das Signal eingespeist wird. Wir können ja ohnehin lediglich prüfen, ob an einem Pin unseres Controllers eine logische 1 (Spannung größer ca. 0,7*Vcc) oder eine logische 0 (Spannung kleiner ca. 0,2*Vcc) anliegt. Detaillierte Informationen darüber, ab welcher Spannung ein Eingang als 0 ("low") bzw. 1 ("high") erkannt wird, liefert die Tabelle DC Characteristics im Datenblatt des genutzten Controllers.

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''Spannungstabelle''' (ca. Grenzwerte)
|
! Low || High
|-
! bei 5 V
| 1 V || 3,5 V
|-
! bei 3,3 V
| 0,66 V || 2,31 V
|-
! bei 1,8 V
| 0,36 V || 1,26 V
|}

Die Abfrage der Zustände der Portpins erfolgt direkt über den Registernamen.

{{Warnung|Dabei ist wichtig, zur Abfrage der Eingänge ''nicht'' etwa Portregister '''PORTx''' zu verwenden, sondern Eingangsregister '''PINx'''. Ansonsten liest man nicht den Zustand der Eingänge, sondern den Status der internen Pull-Up-Widerstände. Die Abfrage der Pinzustände über PORTx statt PINx ist ein häufiger Fehler beim AVR-"Erstkontakt".}}

Will man also die aktuellen Signalzustände von Port D abfragen und in eine Variable namens bPortD abspeichern, schreibt man folgende Befehlszeilen:

<c>
#include <avr/io.h>
#include <stdint.h>
...
uint8_t bPortD;
...
bPortD = PIND;
...
</c>

Mit den C-Bitoperationen kann man den Status der Bits abfragen.

<c>
#include <avr/io.h>
...
/* Fuehre Aktion aus, wenn Bit Nr. 1 (das "zweite" Bit) in PINC gesetzt (1) ist */
if ( PINC & (1<<PINC1) ) {
/* Aktion */
}

/* Fuehre Aktion aus, wenn Bit Nr. 2 (das "dritte" Bit) in PINB geloescht (0) ist */
if ( !(PINB & (1<<PINB2)) ) {
/* Aktion */
}
...
</c>
Siehe auch [[Bitmanipulation#Bits_prüfen]]

=== Interne Pull-Up Widerstände ===

Portpins für Ein- und Ausgänge (GPIO) eines AVR verfügen über zuschaltbare interne Pull-Up Widerstände (nominal mehrere 10kOhm, z. B. ATmega16 20-50kOhm). Diese können in vielen Fällen statt externer Widerstände genutzt werden.

Die internen Pull-Up Widerstände von Vcc zu den einzelnen Portpins werden über das Register ''' PORTx''' aktiviert bzw. deaktiviert, wenn ein Pin als ''' Eingang''' geschaltet ist.

Wird der Wert des entsprechenden Portpins auf 1 gesetzt, so ist der Pull-Up Widerstand aktiviert. Bei einem Wert von 0 ist der Pull-Up Widerstand nicht aktiv. Man sollte jeweils entweder den internen oder einen externen Pull-Up Widerstand verwenden, aber nicht beide zusammen.

Im Beispiel werden alle Pins des Ports D als Eingänge geschaltet und alle Pull-Up Widerstände aktiviert. Weiterhin wird Pin PC7 als Eingang geschaltet und dessen interner Pull-Up Widerstand aktiviert, ohne die Einstellungen für die anderen Portpins (PC0-PC6) zu verändern.

<c>
#include <avr/io.h>
...
DDRD = 0x00; /* alle Pins von Port D als Eingang */
PORTD = 0xff; /* interne Pull-Ups an allen Port-Pins aktivieren */
...
DDRC &= ~(1<<PC7); /* Pin PC7 als Eingang */
PORTC |= (1<<PC7); /* internen Pull-Up an PC7 aktivieren */
</c>

=== Tasten und Schalter ===

Der Anschluss mechanischer Kontakte an den Mikrocontroller, ist zwischen zwei unterschiedliche Methoden zu unterscheiden: ''Active Low'' und ''Active High''.

<gallery widths="300" heights="300" caption="Anschluss mechanischer Kontakte an einen µC">
Image:Active Low.gif|'''Active Low:''' Bei dieser Methode wird der Kontakt zwischen den Eingangspin des Controllers und Masse geschaltet. Damit bei offenem Schalter der Controller kein undefiniertes Signal bekommt, wird zwischen die Versorgungsspannung und den Eingangspin ein sogenannter '''Pull-Up''' Widerstand geschaltet. Dieser dient dazu, den Pegel bei geöffnetem Schalter auf logisch 1 zu ziehen.
Image:Active High.gif|'''Active High:''' Hier wird der Kontakt zwischen die Versorgungsspannung und den Eingangspin geschaltet. Damit bei offener Schalterstellung kein undefiniertes Signal am Controller ansteht, wird zwischen den Eingangspin und die Masse ein '''Pull-Down''' Widerstand geschaltet. Dieser dient dazu, den Pegel bei geöffneter Schalterstellung auf logisch 0 zu halten.
</gallery>

Der Widerstandswert von Pull-Up- und Pull-Down-Widerständen ist an sich nicht kritisch. Wird er allerdings zu hoch gewählt, ist die Wirkung eventuell nicht gegeben. Als üblicher Wert haben sich 10 kOhm eingebürgert. Die AVRs verfügen an den meisten Pins über zuschaltbare interne Pull-Up Widerstände (vgl. Abschnitt [[AVR-GCC-Tutorial#Interne Pull-Up Widerstände|Interne Pull-Up Widerstände]]), welche insbesondere wie hier bei Tastern und ähnlichen Bauteilen (z. B. Drehgebern) statt externer Bauteile verwendet werden können. Interne Pull-Down-Widerstand sind nicht verfügbar und müssen daher in Form zusätzlicher Bauteile in die Schaltung eingefügt werden.

==== (Tasten-)Entprellung ====

Siehe: ''[[Entprellung#Warteschleifen-Verfahren|Entprellung: Warteschleifen-Verfahren]]

= Analoge Ein- und Ausgabe =

Analoge Eingangswerte werden in der Regel über den AVR Analog-Digital-Converter (AD-Wandler, ADC) eingelesen, der in vielen Typen verfügbar ist (typisch 10bit Auflösung). Durch diesen werden analoge Signale (Spannungen) in digitale Zahlenwerte gewandelt. Bei AVRs, die über keinen internen AD-Wandler verfügen (z. B. ATmega162), kann durch externe Beschaltung (R/C-Netzwerk und Zeitmessung) die Funktion des AD-Wandlers simuliert werden.

Es gibt innerhalb der ATMega- und ATTiny-AVR Reihe keine Typen mit eingebautem Digital-Analog-Konverter (DAC) - diese Funktion ist erst ab der XMEGA-Reihe der AVR-Familie verfügbar, die aber wegen ihrer vielen Unterschiede im Umfang dieses Tutorials nicht behandelt wird.
Die Umsetzung zu einer analogen Spannung muss daher durch externe Komponenten vorgenommen werden. Das kann z. B. durch PWM und deren Filterung zu (fast) DC, oder einem sogenannten R2R-Netzwerk erfolgen.

Unabhängig davon besteht natürlich immer die Möglichkeit, spezielle Bausteine zur Analog-Digital- bzw. Digital-Analog-Wandlung zu nutzen und diese über eine digitale Schnittstelle (z.b. SPI oder I2C) mit einem AVR anzusteuern.

== AC (Analog Comparator) ==

Der Comparator vergleicht 2 Spannungen an den Pins AIN0 und AIN1 und gibt einen Status aus welche der beiden Spannungen größer ist. AIN0 Dient dabei als Referenzspannung (Sollwert) und AIN1 als Vergleichsspannung (Istwert). Als Referenzspannung kann auch alternativ eine interne Referenzspannung ausgewählt werden.

Liegt die Vergleichsspannung (IST) unter der der Referenzspannung (SOLL) gibt der Comparator eine logische 1 aus. Ist die Vergleichsspannung hingegen größer als die Referenzspannung wird eine logische 0 ausgegeben.

Der Comparator arbeitet völlig autark bzw. parallel zum Prozessor. Für mobile Anwendungen empfiehlt es sich ihn abzuschalten sofern er nicht benötigt wird, da er ansonsten Strom benötigt. Der Comparator kann interruptgesteuert abgefragt werden oder im Pollingbetrieb.

Das Steuer- bzw. Statusregister ist wie folgt aufgebaut:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''ACSR - Analog Comparator Status Register'''
|-
! Bit
| 7|| 6|| 5|| 4|| 3|| 2|| 1|| 0
|-
! Name
| '''ACD'''|| '''ACBG'''|| '''ACO'''|| '''ACI'''|| '''ACIE'''|| '''ACIC'''|| '''ACIS1'''|| '''ACIS0'''
|-
! R/W
| R/W|| R/W|| R|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W
|-
! Initialwert
| 0|| 0|| n/a|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0
|}

;Bit 7 ACD: Analog Comparator Disable: 0 = Comparator ein, 1 = Comparator aus. Wird dieses Bit geändert kann ein Interrupt ausgelöst werden. Soll dies vermieden werden muss das Bit 3 ACIE ggf. abgeschaltet werden.

;Bit 6 ACBG: Analog Comparator Bandgap Select: Ermöglicht das umschalten zwischen interner und externer Referenzspannung. 1 = interne (~1,3 Volt), 0 = externe Referenzspannung (an Pin AIN0)

;Bit 5 ACO: Analog Comparator Output: Hier wird das Ergebnis des Vergleichs angezeigt. Es liegt typischerweise nach 1-2 Taktzyklen vor.
:: IST < SOLL → 1
:: IST > SOLL → 0

;Bit 4 ACI: Analog Comparator Interrupt Flag: Dieses Bit wird von der Hardware gesetzt, wenn ein Interruptereignis, das in Bit 0 und 1 definiert ist, eintritt. Dieses Bit löst noch keinen Interrupt aus! Die Interruptroutine wird nur dann ausgeführt, wenn das Bit 3 ACIE gesetzt ist und global Interrupts erlaubt sind (I-Bit in SREG gesetzt). Das Bit 4 ACI wird wieder gelöscht, wenn die Interruptroutine ausgeführt wurde oder wenn es manuell auf 1! gesetzt wird. Das Bit kann für Abfragen genutzt werden, steuert oder konfiguriert aber nicht den Comparator.

;Bit 3 ACIE: Analog Comparator Interrupt Enable: Ist das Bit auf 1 gesetzt, wird immer ein Interrupt ausgelöst, wenn das Ereignis das in Bit 1 und 0 definiert ist, eintritt.

;Bit 2 ACIC: Analog Comparator Input Capture Enable: Wird das Bit gesetzt, wird der Comparatorausgang intern mit dem Counter 1 verbunden. Es könnten damit z.b. die Anzahl der Vergleiche im Counter1 gezählt werden. Um den Comparator an den Timer1 Input Capture Interrupt zu verbinden, muss im Timerregister das TICIE1 Bit auf 1 gesetzt werden. Der Trigger wird immer dann ausgelöst, wenn das in Bit 1 und 0 definierte Ereignis eintritt.

;Bit 1,0 ACIS1,ACIS0: Analog Comparator Interrupt select: Hier wird definiert, welche Ereignisse einen Interrupt auslösen sollen:
:* 00 = Interrupt auslösen bei jedem Flankenwechsel
:* 10 = Interrupt auslösen bei fallender Flanke
:* 11 = Interrupt auslösen bei steigender Flanke

Werden diese Bit geändert, kann ein Interrupt ausgelöst werden. Soll dies vermieden werden, muss das Bit 3 gelöscht werden.

== ADC (Analog Digital Converter) ==

Der Analog-Digital-Konverter (ADC) wandelt analoge Signale in digitale Werte um, welche vom Controller interpretiert werden können. Einige AVR-Typen haben bereits einen mehrkanaligen Analog-Digital-Konverter eingebaut. Die Feinheit, mit welcher ein analoges Signal aufgelöst werden kann, wird durch die Auflösung des ADC, d.h. durch die Anzahl der verwendeten Bits angegeben. So sind derzeit bspw. 8-Bit- oder 10-Bit-ADC im Einsatz. ADCs, die in AVRs enthalten sind, haben zur Zeit eine maximale Auflösung von 10-Bit.

Ein ADC mit 8 Bit Auflösung kann somit das analoge Signal in Abstufungen von 1/256 des Maximalwertes digitalisieren. Wenn wir nun mal annehmen, wir hätten eine Eingangspannung zwischen 0 und 5 Volt, eine Referenzspannung von 5 V und eine Auflösung von 3 Bit, dann könnten
Intervalle mit den Grenzen 0 V, 0.625 V, 1.25 V, 1.875 V, 2.5 V, 3.125 V, 3.75 V, 4.375 V, 5 V entsprechend folgender Tabelle unterschieden werden:

::{| class="wikitable" style="text-align:center"
! Eingangsspannung am ADC / V || Entsprechender Messwert
|-
| 0 – 0.625 || 0
|-
| 0.625 – 1.25 || 1
|-
| 1.25 – 1.875 || 2
|-
| 1.875 – 2.5 || 3
|-
| 2.5 – 3.125 || 4
|-
| 3.125 – 3.75 || 5
|-
| 3.75 – 4.375 || 6
|-
| 4.375 – 5 || 7
|}

Die Angaben sind natürlich nur ungefähr. Je höher nun die Auflösung des Analog-Digital-Konverters ist, also, je mehr Bits er hat, desto genauer kann der jeweilige Wert erfasst werden.

=== Der interne ADC im AVR ===

Oft sind auch mehrere Kanäle verfügbar. Kanäle heißt in diesem Zusammenhang, dass zwar bis zu zehn analoge Eingänge am AVR vorhanden sind, aber nur ein "echter" Analog-Digital-Wandler zur Verfügung steht. Vor der eigentlichen Messung ist also festzulegen, welcher Kanal ("Pin") mit dem Wandler verbunden und gemessen wird.

Die Umwandlung innerhalb des AVR basiert auf der schrittweisen Näherung. Beim AVR müssen die Pins '''AGND''' und '''AVCC''' beschaltet werden. Für genaue Messungen sollte AVCC über ein L-C Netzwerk mit VCC verbunden werden, um Spannungsspitzen und -einbrüche vom Analog-Digital-Wandler fernzuhalten. Im Datenblatt findet sich dazu eine Schaltung, die 10µH und 100nF vorsieht.

Das Ergebnis der Analog-Digital-Wandlung wird auf eine Referenzspannung bezogen. Aktuelle AVRs bieten drei Möglichkeiten zur Wahl dieser Spannung:

* Eine externe Referenzspannung von maximal '''Vcc''' am Anschlusspin '''AREF'''. Die minimale (externe) Referenzspannung darf jedoch nicht beliebig niedrig sein, vgl. dazu das (aktuellste) Datenblatt des verwendeten Controllers.

* Verfügt der AVR über eine interne Referenzspannung, kann diese genutzt werden. Alle aktuellen AVRs mit internem AD-Wandler sollten damit ausgestattet sein (vgl. Datenblatt: 2,56V oder 1,1V je nach Typ). Das Datenblatt gibt auch über die Genauigkeit dieser Spannung Auskunft.

* Es kann die Spannung AVcc als Referenzspannung herangezogen werden

Bei Nutzung von AVcc oder der internen Referenz wird empfohlen, einen Kondensator zwischen dem AREF-Pin und GND anzuordnen. Die Festlegung, welche Spannungsreferenz genutzt wird, erfolgt z. B. beim ATmega16 mit den Bits REFS1/REFS0 im ADMUX-Register. Die zu messende Spannung muss im Bereich zwischen '''AGND''' und '''AREF''' (egal ob intern oder extern) liegen.

Der '''ADC''' kann in zwei verschiedenen Betriebsarten verwendet werden:

; Einfache Wandlung (Single Conversion) : In dieser Betriebsart wird der Wandler bei Bedarf vom Programm angestoßen für jeweils eine Messung.

; Frei laufend (Free Running) : In dieser Betriebsart erfasst der Wandler permanent die anliegende Spannung und schreibt diese in das '''ADC Data Register'''.

==== Die Register des ADC ====

Der '''ADC''' verfügt über eigene Register. Im Folgenden die Registerbeschreibung eines ATMega16, welcher über 8 ADC-Kanäle verfügt. Die Register unterscheiden sich jedoch nicht erheblich von denen anderer AVRs (vgl. Datenblatt).

{| class="wikitable"
|-
| '''ADCSRA   '''
| '''ADC''' '''C'''ontrol and '''S'''tatus '''R'''egister A. 
In diesem Register stellen wir ein, wie wir den '''ADC''' verwenden möchten. 
Das Register ist wie folgt aufgebaut:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7|| 6|| 5|| 4|| 3|| 2|| 1|| 0
|-
! Name
| '''ADEN'''|| '''ADSC'''|| '''ADFR'''|| '''ADIF'''|| '''ADIE'''|| '''ADPS2'''|| '''ADPS1'''|| '''ADPS0'''
|-
! R/W
| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W
|-
! Initialwert
| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0
|}

'''ADEN''' ('''AD'''C '''En'''able)
:Dieses Bit muss gesetzt werden, um den ''' ADC''' überhaupt zu aktivieren. Wenn das Bit nicht gesetzt ist, können die Pins wie normale I/O-Pins verwendet werden.

'''ADSC''' ('''AD'''C '''S'''tart '''C'''onversion)
:Mit diesem Bit wird ein Messvorgang gestartet. In der frei laufenden Betriebsart muss das Bit gesetzt werden, um die kontinuierliche Messung zu aktivieren.
:Wenn das Bit nach dem Setzen des '''ADEN'''-Bits zum ersten Mal gesetzt wird, führt der Controller zuerst eine zusätzliche Wandlung und erst dann die eigentliche Wandlung aus. Diese zusätzliche Wandlung wird zu Initialisierungszwecken durchgeführt.
:Das Bit bleibt nun so lange auf 1, bis die Umwandlung abgeschlossen ist, im Initialisierungsfall entsprechend bis die zweite Umwandlung erfolgt ist und geht danach auf 0.

'''ADFR''' ('''AD'''C '''F'''ree '''R'''un select)
:Mit diesem Bit wird die Betriebsart eingestellt.
:Ist das Bit auf 1 gesetzt arbeitet der ADC im "Free Running"-Modus. Dabei wird das Datenregister permanent aktualisiert. Ist das Bit hingegen auf 0 gesetzt, macht der ADC nur eine "Single Conversion".

'''ADIF''' ('''AD'''C '''I'''nterrupt '''F'''lag)
:Dieses Bit wird vom ''' ADC''' gesetzt, sobald eine Umwandlung erfolgt ist und das '''ADC Data Register''' aktualisiert wurde. Das Bit wird bei lesendem Zugriff auf '''ADC(L,H)''' automatisch (d.h. durch die Hardware) gelöscht.
:Wenn das '''ADIE''' Bit sowie das '''I-Bit''' im AVR '''Statusregister''' gesetzt ist, wird der '''ADC Interrupt''' ausgelöst und die Interrupt-Behandlungsroutine aufgerufen.
:Das Bit wird automatisch gelöscht, wenn die Interrupt-Behandlungsroutine aufgerufen wird. Es kann jedoch auch gelöscht werden, indem eine logische '''1'''! in das Register geschrieben wird.

'''ADIE''' ('''AD'''C '''I'''nterrupt '''E'''nable)
:Wenn dieses Bit gesetzt ist und ebenso das ''' I-Bit''' im Statusregister '''SREG''', dann wird der ''' ADC-Interrupt''' aktiviert.

'''ADPS2...ADPS0''' ('''AD'''C '''P'''rescaler '''S'''elect Bits)
:Diese Bits bestimmen den Teilungsfaktor zwischen der Taktfrequenz und dem Eingangstakt des '''ADC'''.
:Der '''ADC''' benötigt einen eigenen Takt, welchen er sich selber aus der CPU-Taktfreqenz erzeugt. Der '''ADC'''-Takt sollte zwischen 50 und 200kHz liegen.
:Der Vorteiler muss also so eingestellt werden, dass CPU-Taktfrequenz dividiert durch den Teilungsfaktor einen Wert im Bereich '''(50-200)kHz''' ergibt.
:Bei einer CPU-Taktfrequenz von 4MHz beispielsweise rechnen wir

:<math>
\begin{matrix}
TF_{min}=\frac{CLK}{200\,\mathrm{kHz}}=\frac{4000000}{200000}=\mathbf{20}
\\
\\
TF_{max}=\frac{CLK}{50\,\mathrm{kHz}}=\frac{4000000}{50000}=\mathbf{80}
\end{matrix}
</math>

:Somit kann hier der Teilungsfaktor 32 oder 64 verwendet werden. Im Interesse der schnelleren Wandlungszeit werden wir hier den Faktor 32 einstellen.

:{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! '''ADPS2'''|| '''ADPS1'''|| '''ADPS0'''|| '''Teilungsfaktor'''
|-
| 0|| 0|| 0|| 2
|-
| 0|| 0|| 1|| 2
|-
| 0|| 1|| 0|| 4
|-
| 0|| 1|| 1|| 8
|-
| 1|| 0|| 0|| 16
|-
| 1|| 0|| 1|| 32
|-
| 1|| 1|| 0|| 64
|-
| 1|| 1|| 1|| 128
|}

|-
| '''ADCL''' 
'''ADCH'''
| '''ADC ''' Data Register 
Wenn eine Umwandlung abgeschlossen ist, befindet sich der gemessene Wert in
diesen beiden Registern. Von '''ADCH''' werden nur die beiden niederwertigsten Bits verwendet. Es müssen immer beide Register ausgelesen werden, und zwar immer '''in der Reihenfolge: ADCL, ADCH'''.
Der effektive Messwert ergibt sich dann zu:

<c>
x = ADCL; // mit uint16_t x
x += (ADCH<<8); // in zwei Zeilen (LSB/MSB-Reihenfolge und
// C-Operatorpriorität sichergestellt)
</c>

oder

<c>
x = ADCW; // je nach AVR auch x = ADC (siehe avr/ioxxx.h)
</c>

|-
| '''ADMUX  '''
| '''AD'''C '''Mu'''ltiple'''x'''er Select Register 
Mit diesem Register wird der zu messende Kanal ausgewählt. Beim 90S8535
kann jeder Pin von Port A als '''ADC'''-Eingang verwendet werden (=8 Kanäle). 
Das Register ist wie folgt aufgebaut:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7|| 6|| 5|| 4|| 3|| 2|| 1|| 0
|-
! Name
| '''REFS1'''|| '''REFS0'''|| '''ADLAR'''|| '''MUX4'''|| '''MUX3'''|| '''MUX2'''|| '''MUX1'''|| '''MUX0'''
|-
! '''R/W'''
| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W
|-
! Initialwert
| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0
|}

'''REFS1...REFS0''' ('''Ref'''erence'''S'''election Bits)
:Mit diesen Bits kann die Referenzspannung eingestellt werden. Bei der Umstellung sind Wartezeiten zu beachten, bis die ADC-Hardware einsatzfähig ist (Datenblatt und [http://www.mikrocontroller.net/topic/165513]):

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! '''REFS1'''|| '''REFS0'''|| '''Referenzspanung'''
|-
| 0|| 0|| Externes AREF
|-
| 0|| 1|| AVCC als Referenz
|-
| 1|| 0|| Reserviert
|-
| 1|| 1|| Interne 2,56 Volt
|}

'''ADLAR''' ('''ADC ''' '''L'''eft '''A'''djust '''R'''esult)
:Das ADLAR Bit verändert das Aussehen des Ergebnisses der AD-Wandlung. Bei einer logischen 1 wird das Ergebnis linksbündig ausgegeben, bei einer 0 rechtsbündig. Eine Änderung in diesem Bit beeinflusst das Ergebnis sofort, ganz egal ob bereits eine Wandlung läuft.

'''MUX4...MUX0'''
:Mit diesen 5 Bits wird der zu messende Kanal bestimmt. Wenn man einen einfachen 1-kanaligen ADC verwendet wird einfach die entsprechende Pinnummer des Ports in die Bits 0...4 eingeschrieben (je nach Anzahl der Wandler des AVR, bei 8 AD-Kanälen halt nur 0...2).
:Wenn das Register beschrieben wird, während eine Umwandlung läuft, so wird zuerst die aktuelle Umwandlung auf dem bisherigen Kanal beendet. Dies ist vor allem beim frei laufenden Betrieb zu berücksichtigen.

:Eine Empfehlung ist deswegen diese, dass der frei laufende Betrieb nur bei einem einzelnen zu verwendenden Analogeingang verwendet werden sollte, wenn man sich Probleme bei der Umschalterei ersparen will.
|}

==== Nutzung des ADC ====

Um den ''' ADC''' zu aktivieren, müssen wir das '''ADEN'''-Bit im '''ADCSR'''-Register setzen. Im gleichen Schritt legen wir auch die Betriebsart fest.

Ein kleines Beispiel für den "single conversion"-Mode bei einem ATmega169 und Nutzung der internen Referenzspannung (beim '169 1,1V bei anderen AVRs auch 2,56V). D.h. das Eingangssignal darf diese Spannung nicht überschreiten, gegebenenfalls muss es mit einem [[Spannungsteiler]] verringert werden. Das Ergebnis der Routine ist der ADC-Wert, also 0 für 0-Volt und 1023 für V_ref-Volt.

In der praktischen Anwendung wird man zum Programmstart den ADC erst einmal grundlegend konfigurieren und dann auf verschiedenen Kanälen messen. Diese beiden Dinge sollte man meist trennen, denn das Einschalten des ADC und vor allem der Referenzspannung dauert ein paar Dutzend Mikrosekunden. Außerdem ist das erste Ergebnis nach dem Einschalten ungültig und muss verworfen werden.

<c>

/* ADC initialisieren */
void ADC_Init(void) {

uint16_t result;

// ADMUX = (0<<REFS1) | (1<<REFS0); // AVcc als Referenz benutzen
ADMUX = (1<<REFS1) | (1<<REFS0); // interne Referenzspannung nutzen
// Bit ADFR ("free running") in ADCSRA steht beim Einschalten
// schon auf 0, also single conversion
ADCSRA = (1<<ADPS1) | (1<<ADPS0); // Frequenzvorteiler
ADCSRA |= (1<<ADEN); // ADC aktivieren

/* nach Aktivieren des ADC wird ein "Dummy-Readout" empfohlen, man liest
also einen Wert und verwirft diesen, um den ADC "warmlaufen zu lassen" */

ADCSRA |= (1<<ADSC); // eine ADC-Wandlung
while (ADCSRA & (1<<ADSC) ) {} // auf Abschluss der Konvertierung warten
/* ADCW muss einmal gelesen werden, sonst wird Ergebnis der nächsten
Wandlung nicht übernommen. */
result = ADCW;
}

/* ADC Einzelmessung */
uint16_t ADC_Read( uint8_t channel )
{
// Kanal waehlen, ohne andere Bits zu beeinflußen
ADMUX = (ADMUX & ~(0x1F)) | (channel & 0x1F);
ADCSRA |= (1<<ADSC); // eine Wandlung "single conversion"
while (ADCSRA & (1<<ADSC) ) {} // auf Abschluss der Konvertierung warten
return ADCW; // ADC auslesen und zurückgeben
}

/* ADC Mehrfachmessung mit Mittelwertbbildung */
uint16_t ADC_Read_Avg( uint8_t channel, uint8_t average )
{
uint32_t result = 0;

for (uint8_t i = 0; i < average; ++i )
result += ADC_Read( channel );

return (uint16_t)( result / average );
}

...

/* Beispielaufrufe: */

int main()
{
uint16_t adcval;
ADC_Init();

while( 1 ) {
adcval = ADC_Read(0); // Kanal 0
// mach was mit adcval

adcval = ADC_Read_Avg(2, 4); // Kanal 2, Mittelwert aus 4 Messungen
// mach was mit adcval
}
}

</c>

Im Beispiel läuft der ADC ständig. Für den Fall, dass man Strom sparen will, z.B. mittels Verwendung des [[Sleep Mode]]s, muss man den ADC nach jeder Messung abschalten und vor der nächsten Messung wieder einschalten, wobei auch dann wieder eine kleine Pause und Anfangswandlung nötig sind.



=== Analog-Digital-Wandlung ohne internen ADC ===

==== Messen eines Widerstandes ====

[[Image:Poti.gif|framed|right]]
Analoge Werte lassen sich ohne Analog-Digital-Wandler auch indirekt ermitteln. Im Folgenden wird die Messung des an einem Potentiometer eingestellten Widerstands anhand der Ladekurve eines Kondensators erläutert. Bei dieser Methode wird nur ein Portpin benötigt, ein Analog-Digital-Wandler oder Analog-Comparator ist nicht erforderlich. Es wird dazu ein Kondensator und der Widerstand (das Potentiometer) in Reihe zwischen Vorsorgungsspannung und Masse/GND geschaltet (sogen. RC-Netzwerk). Zusätzlich wird eine Verbindung der Leitung zwischen Kondensator und Potentiometer zu einem Portpin des Controllers hergestellt. Die folgende Abbildung verdeutlicht die erforderliche Schaltung.

Wird der Portpin des Controllers auf Ausgang konfiguriert (im Beispiel ''DDRD |= (1<<PD2)'') und dieser Ausgang auf Logisch 1 ("High", ''PORTD |= (1<<PD2)'') geschaltet, liegt an beiden "Platten" des Kondensators das gleiche Potential '''VCC''' an und der Kondensator somit entladen. (Klingt komisch, mit ''' Vcc''' entladen, ist aber so, da an beiden Seiten des Kondensators das gleiche Potential anliegt und somit eine Potentialdifferenz von 0V besteht => Kondensator ist entladen).

Nach einer gewissen Zeit ist der Kondensator entladen und der Portpin wird als Eingang konfiguriert (''DDRD &= ~(1<<PD2); PORTD &= ~(1<<PD2)''), wodurch dieser hochohmig wird. Der Status des Eingangspin (in PIND) ist Logisch 1 (High). Der Kondensator lädt sich jetzt über das Poti auf, dabei steigt der Spannungsabfall über dem Kondensator und derjenige über dem Poti sinkt. Fällt nun der Spannungsabfall über dem Poti unter die Threshold-Spannung des Eingangspins (2/5 Vcc, also ca. 2V), wird das Eingangssignal als LOW erkannt (Bit in PIND wird 0). Die Zeitspanne zwischen der Umschaltung von Entladung auf Aufladung und dem Wechsel des Eingangssignals von High auf Low ist ein Maß für den am Potentiometer eingestellten Widerstand. Zur Zeitmessung kann einer der im Controller vorhandenen Timer genutzt werden. Der 220Ω Widerstand dient dem Schutz des Controllers. Es würde sonst bei Maximaleinstellung des Potentionmeters (hier 0Ω) ein zu hoher Strom fließen, der die Ausgangsstufe des Controllers zerstört.

Mit einem weiteren Eingangspin und ein wenig Software können wir auch eine Kalibrierung realisieren, um den Messwert in einen vernünftigen Bereich (z.B: 0...100 % oder so) umzurechnen.



==== ADC über Komparator ====

[[Image:ADC ueber Komparator.gif|framed|right]]
Es gibt einen weiteren Weg, eine analoge Spannung mit Hilfe des
Komparators, welcher in fast jedem AVR integriert ist, zu messen. Siehe dazu
auch die Application Note AVR400 von Atmel.

Dabei wird das zu messende Signal auf den invertierenden Eingang
des Komparators geführt. Zusätzlich wird ein Referenzsignal an den nicht
invertierenden Eingang des Komparators angeschlossen. Das Referenzsignal wird
hier auch wieder über ein RC-Glied erzeugt, allerdings mit festen Werten für R
und C.

Das Prinzip der Messung ist nun dem vorhergehenden recht
ähnlich. Durch Anlegen eines LOW-Pegels an Pin 2 wird der Kondensator zuerst
einmal entladen. Auch hier muss darauf geachtet werden, dass der Entladevorgang
genügend lang dauert.
Nun wird Pin 2 auf HIGH gelegt. Der Kondensator wird geladen. Wenn die Spannung
über dem Kondensator die am Eingangspin anliegende Spannung erreicht hat,
schaltet der Komparator durch. Die Zeit, welche benötigt wird, um den
Kondensator zu laden, kann nun auch wieder als Maß für die Spannung an Pin 1
herangezogen werden.

Ich habe es mir gespart, diese Schaltung auch aufzubauen, und zwar aus mehreren Gründen:

# 3 Pins notwendig.
# Genauigkeit vergleichbar mit einfacherer Lösung.
# War einfach zu faul.

Der Vorteil dieser Schaltung liegt allerdings darin, dass damit direkt Spannungen gemessen werden können.

== DAC (Digital Analog Converter) ==

Mit Hilfe eines Digital-Analog-Konverters ('''DAC''') können wir nun auch Analogsignale ausgeben. Es gibt hier mehrere Verfahren. 

=== DAC über mehrere digitale Ausgänge ===

Wenn wir an den Ausgängen des Controllers ein entsprechendes
Widerstandsnetzwerk aufbauen haben wir die Möglichkeit, durch die Ansteuerung
der Ausgänge über den Widerständen einen Addierer aufzubauen, mit dessen
Hilfe wir eine dem Zahlenwert proportionale Spannung erzeugen können. Das
Schaltbild dazu kann etwa so aussehen:

[[Image:DAC R2R.gif]]

Es sollten selbstverständlich möglichst genaue Widerstände verwendet
werden, also nicht unbedingt solche mit einer Toleranz von 10% oder mehr.
Weiterhin empfiehlt es sich, je nach Anwendung den Ausgangsstrom über einen
Operationsverstärker zu verstärken.

=== PWM (Pulsweitenmodulation) ===

Wir kommen nun zu einem Thema, welches in aller Munde ist, aber viele
Anwender verstehen nicht ganz, wie [[PWM]] eigentlich funktioniert.

Wie wir alle wissen, ist ein Mikrocontroller ein rein digitales Bauteil.
Definieren wir einen Pin als Ausgang, dann können wir diesen Ausgang entweder
auf HIGH setzen, worauf am Ausgang die Versorgungsspannung ''' Vcc''' anliegt, oder aber wir setzen den Ausgang auf LOW, wonach dann ''' 0V''' am Ausgang liegt. Was passiert aber nun, wenn wir periodisch mit einer festen Frequenz zwischen HIGH und LOW umschalten? - Richtig, wir erhalten eine Rechteckspannung, wie die folgende Abbildung zeigt:

[[Image:PWM Theorie 1.gif]]

Diese Rechteckspannung hat nun einen arithmetischen Mittelwert,
der je nach Pulsbreite kleiner oder größer ist.

[[Image:PWM Theorie 2.gif]]

Wenn wir nun diese pulsierende Ausgangsspannung noch über ein RC-Glied filtern/"glätten", dann haben wir schon eine entsprechende Gleichspannung erzeugt.

Mit den AVRs können wir direkt PWM-Signale erzeugen.
Dazu dient der 16-Bit Zähler, welcher im sogenannten PWM-Modus betrieben werden kann.

;Hinweis: In den folgenden Überlegungen wird als Controller der 90S2313 vorausgesetzt. Die Theorie ist bei anderen AVR-Controllern vergleichbar, die Pinbelegung allerdings nicht unbedingt, weshalb ein Blick ins entsprechende Datenblatt dringend angeraten wird.

Um den PWM-Modus zu aktivieren, müssen im Timer/Counter1 Control
Register A TCCR1A die Pulsweiten-Modulatorbits PWM10 bzw. PWM11 entsprechend nachfolgender Tabelle gesetzt werden:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! PWM11 || PWM10 || Bedeutung
|-
| 0 || 0 || PWM-Modus des Timers ist nicht aktiv
|-
| 0 || 1 || 8-Bit PWM
|-
| 1 || 0 || 9-Bit PWM
|-
| 1 || 1 || 10-Bit PWM
|}

Der Timer/Counter zählt nun permanent von 0 bis zur Obergrenze
und wieder zurück, er wird also als sogenannter Auf-/Ab Zähler betrieben.
Die Obergrenze hängt davon ab, ob wir mit 8, 9 oder 10-Bit PWM arbeiten wollen:

{| class="wikitable"
|-
! Auflösung || Obergrenze || Frequenz
|-
| align="center" | 8
| align="center" | 255
| fTC1 / 510
|-
| align="center" | 9
| align="center" | 511
| fTC1 / 1022
|-
| align="center" | 10
| align="center" | 1023
| fTC1 / 2046
|}

Zusätzlich muss mit den Bits '''COM1A1''' und '''COM1A0''' desselben
Registers die gewünschte Ausgabeart des Signals definiert werden:

{| class="wikitable"
|-
! COM1A1 || COM1A0 || Bedeutung
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| Keine Wirkung, Pin wird nicht geschaltet.
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| Keine Wirkung, Pin wird nicht geschaltet.
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| Nicht invertierende PWM. 
Der Ausgangspin wird gelöscht beim Hochzählen und gesetzt beim
Herunterzählen.
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| Invertierende PWM. 
Der Ausgangspin wird gelöscht beim Herunterzählen und gesetzt beim
Hochzählen.
|}

Der entsprechende Befehl, um beispielsweise den Timer/Counter als
nicht invertierenden 10-Bit PWM zu verwenden, heißt dann:

alte Schreibweise (PWMxx wird nicht mehr akzeptiert)
<c>
TCCR1A = (1<<PWM11)|(1<<PWM10)|(1<<COM1A1);
</c>
neue Schreibweise
<c>
TCCR1A = (1<<WGM11)|(1<<WGM10)|(1<<COM1A1);
</c>

Damit der Timer/Counter überhaupt läuft, müssen wir im Control
Register B '''TCCR1B''' noch den gewünschten Takt (Vorteiler) einstellen und
somit auch die Frequenz des '''PWM'''-Signals bestimmen.

{| class="wikitable"
|-
! CS12 || CS11 || CS10 || Bedeutung
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| Stop. Der Timer/Counter wird gestoppt.
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| CK
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| CK / 8
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| CK / 64
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| CK / 256
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| CK / 1024
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| Externer Pin 1, negative Flanke
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| Externer Pin 1, positive Flanke
|}

Also um einen Takt von CK / 1024 zu generieren, verwenden wir
folgenden Befehl:

<c>
TCCR1B = (1<<CS12) | (1<<CS10);
</c>

Jetzt muss nur noch der Vergleichswert festgelegt werden. Diesen
schreiben wir in das 16-Bit Timer/Counter Output Compare Register '''OCR1A'''.

<c>
OCR1A = xxx;
</c>

Die folgende Grafik soll den Zusammenhang zwischen dem Vergleichswert und dem generierten '''PWM'''-Signal aufzeigen.

[[Image:PWM Theorie 3.gif]]

[[Image:PWM Theorie 4.gif]]

Ach ja, fast hätte ich's vergessen. Das generierte '''PWM'''-Signal
wird am Output Compare Pin '''OC1''' des Timers ausgegeben und leider können wir
deshalb auch beim AT90S2313 nur ein einzelnes '''PWM'''-Signal mit dieser Methode generieren. Andere AVR-Typen verfügen über bis zu vier PWM-Ausgänge. Zu beachten ist außerdem, das wenn der OC Pin aktiviert ist, er nichtmehr wie üblich funktioniert und z. B. nicht einfach über PINx ausgelesen werden kann.

Ein Programm, welches an einem ATmega8 den Fast-PWM Modus verwendet, den Modus 14, könnte so aussehen
<C>
#include <avr/io.h>

int main()
{
// OC1A auf Ausgang
DDRB = (1 << PB1 ); //ATMega8
// DDRD = (1 << PD5 ); //ATMega16
//
// Timer 1 einstellen
//
// Modus 14:
// Fast PWM, Top von ICR1
//
// WGM13 WGM12 WGM11 WGM10
// 1 1 1 0
//
// Timer Vorteiler: 1
// CS12 CS11 CS10
// 0 0 1
//
// Steuerung des Ausgangsport: Set at BOTTOM, Clear at match
// COM1A1 COM1A0
// 1 0

TCCR1A = (1<<COM1A1) | (1<<WGM11);
TCCR1B = (1<<WGM13) | (1<<WGM12) | (1<<CS10);

// den Endwert (TOP) für den Zähler setzen
// der Zähler zählt bis zu diesem Wert

ICR1 = 0x6FFF;

// der Compare Wert
// Wenn der Zähler diesen Wert erreicht, wird mit
// obiger Konfiguration der OC1A Ausgang abgeschaltet
// Sobald der Zähler wieder bei 0 startet, wird der
// Ausgang wieder auf 1 gesetzt
//
// Durch Verändern dieses Wertes, werden die unterschiedlichen
// PWM Werte eingestellt.

OCR1A = 0x3FFF;

while (1) {}
}
</C>

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''PWM-Mode Tabelle aus dem Datenblatt des ATmega8515'''
|-
!Mode || WGM13 || WGM12 || WGM11 || WGM10 || Timer/Counter Mode of Operation
! TOP|| Update of OCR1x at || TOV1 Flag set on
|-
! 0
| 0
| 0
| 0
| 0
| Normal
| 0xFFFF
| Immediate
| MAX
|-
! 1
| 0
| 0
| 0
| 1
| PWM, Phase Correct, 8-Bit
| 0x00FF
| TOP
| BOTTOM
|-
! 2
| 0
| 0
| 1
| 0
| PWM, Phase Correct, 9-Bit
| 0x01FF
| TOP
| BOTTOM
|-
! 3
| 0
| 0
| 1
| 1
| PWM, Phase Correct, 10-Bit
| 0x03FF
| TOP
| BOTTOM
|-
! 4
| 0
| 1
| 0
| 0
| CTC
| OCR1A
| Immediate
| MAX
|-
! 5
| 0
| 1
| 0
| 1
| Fast PWM, 8-Bit
| 0x00FF
| BOTTOM
| TOP
|-
! 6
| 0
| 1
| 1
| 0
| Fast PWM, 9-Bit
| 0x01FF
| BOTTOM
| TOP
|-
! 7
| 0
| 1
| 1
| 1
| Fast PWM, 10-Bit
| 0x03FF
| BOTTOM
| TOP
|-
! 8
| 1
| 0
| 0
| 0
| PWM, Phase an Frequency Correct
| ICR1
| BOTTOM
| BOTTOM
|-
! 9
| 1
| 0
| 0
| 1
| PWM, Phase an Frequency Correct
| OCR1A
| BOTTOM
| BOTTOM
|-
! 10
| 1
| 0
| 1
| 0
| PWM, Phase Correct
| ICR1
| TOP
| BOTTOM
|-
! 11
| 1
| 0
| 1
| 1
| PWM, Phase an Frequency Correct
| OCR1A
| TOP
| BOTTOM
|-
! 12
| 1
| 1
| 0
| 0
| CTC
| ICR1
| Immediate
| MAX
|-
! 13
| 1
| 1
| 0
| 1
| Reserved
| -
| -
| -
|-
! 14
| 1
| 1
| 1
| 0
| Fast PWM
| ICR1
| BOTTOM
| TOP
|-
! 15
| 1
| 1
| 1
| 1
| Fast PWM
| OCR1A
| BOTTOM
| TOP
|}

Für Details der PWM-Möglichkeiten muss immer das jeweilige Datenblatt des Prozessors konsultiert werden, da sich die unterschiedlichen Prozessoren in ihren Möglichkeiten doch stark unterscheiden. Auch muss man aufpassen, welches zu setzende Bit in welchem Register ist. Auch hier kann es sein, dass gleichnamige Konfigurationsbits in unterschiedlichen Konfigurationsregistern (je nach konkretem Prozessortyp) sitzen.

= Warteschleifen (delay.h) =

Der Programmablauf kann verschiedene Arten von Wartefunktionen erfordern:

* Warten im Sinn von Zeitvertrödeln
* Warten auf einen bestimmten Zustand an den I/O-Pins
* Warten auf einen bestimmten Zeitpunkt (siehe Timer)
* Warten auf einen bestimmten Zählerstand (siehe Counter)

Der einfachste Fall, das Zeitvertrödeln, kann in vielen Fällen und mit großer Genauigkeit anhand der avr-libc Bibliotheksfunktionen _delay_ms() und _delay_us() erledigt werden. Die Bibliotheksfunktionen sind einfachen Zählschleifen (Warteschleifen) vorzuziehen, da leere Zählschleifen ohne besondere Vorkehrungen sonst bei eingeschalteter Optimierung vom avr-gcc-Compiler wegoptimiert werden. Weiterhin sind die Bibliotheksfunktionen bereits darauf vorbereitet, die in F_CPU definierte Taktfrequenz zu verwenden. Außerdem sind die Funktionen der Bibliothek wirklich getestet.

Einfach!? Schon, aber während gewartet wird, macht der µC nichts anderes mehr (abgesehen von möglicherweise auftretenden Interrupts, falls awelche aktiviert sind). Die Wartefunktion blockiert den Programmablauf. Möchte man einerseits warten, um z. B. eine LED blinken zu lassen und gleichzeitig andere Aktionen ausführen z. B. weitere LED bedienen, sollten die Timer/Counter des AVR verwendet werden.

Die Bibliotheksfunktionen funktionieren allerdings nur dann korrekt, wenn sie mit zur Übersetzungszeit (beim Compilieren) bekannten konstanten Werten aufgerufen werden. Der Quellcode muss mit eingeschalteter Optimierung übersetzt werden, sonst wird sehr viel Maschinencode erzeugt, und die Wartezeiten stimmen nicht mehr mit dem Parameter überein.

Eine weitere Einschränkung liegt darin, daß sie möglicherweise länger warten, als erwartet, nämlich in dem Fall, daß Interrupts auftreten und die _delay...()-Funktion unterbrechen. Genau genommen warten diese nämlich nicht eine bestimmte Zeit, sondern verbrauchen eine bestimmte Anzahl von Prozessortakten. Die wiederum ist so bemessen, daß ohne Unterbrechung durch Interrupts die gewünschte Wartezeit erreicht wird.
Wird das Warten aber durch eine oder mehrere ISR unterbrochen, die zusammen 1% Prozessorzeit verbrauchen, dann dauert das Warten etwa 1% länger. Bei 50% Last durch die ISR dauert das Warten doppelt solange wie gewünscht, bei 90% zehnmal solange...

Abhängig von der Version der Bibliothek verhalten sich die Bibliotheksfunktionen etwas unterschiedlich.

== avr-libc Versionen kleiner 1.6 ==

Die Wartezeit der Funktion _delay_ms() ist auf 262,14ms/F_CPU (in MHz) begrenzt, d.h. bei 20 MHz kann man nur max. 13,1ms warten. Die Wartezeit der Funktion _delay_us() ist auf 768us/F_CPU (in MHz) begrenzt, d.h. bei 20 MHz kann man nur max. 38,4µs warten. Längere Wartezeiten müssen dann über einen mehrfachen Aufruf in einer Schleife gelöst werden.

Beispiel: Blinken einer LED an PORTB Pin PB0 im ca. 1s Rhythmus
<c>
#include <avr/io.h>
#ifndef F_CPU
/* Definiere F_CPU, wenn F_CPU nicht bereits vorher definiert
(z. B. durch Übergabe als Parameter zum Compiler innerhalb
des Makefiles). Zusätzlich Ausgabe einer Warnung, die auf die
"nachträgliche" Definition hinweist */
#warning "F_CPU war noch nicht definiert, wird nun mit 3686400 definiert"
#define F_CPU 3686400UL /* Quarz mit 3.6864 Mhz */
#endif
#include <util/delay.h> /* in älteren avr-libc Versionen <avr/delay.h> */

/*
lange, variable Verzögerungszeit, Einheit in Millisekunden

Die maximale Zeit pro Funktionsaufruf ist begrenzt auf
262.14 ms / F_CPU in MHz (im Beispiel:
262.1 / 3.6864 = max. 71 ms)

Daher wird die kleine Warteschleife mehrfach aufgerufen,
um auf eine längere Wartezeit zu kommen. Die zusätzliche
Prüfung der Schleifenbedingung lässt die Wartezeit geringfügig
ungenau werden (macht hier vielleicht 2-3ms aus).
*/

void long_delay(uint16_t ms)
{
for(; ms>0; ms--) _delay_ms(1);
}

int main( void )
{
DDRB = ( 1 << PB0 ); // PB0 an PORTB als Ausgang setzen

while( 1 ) // Endlosschleife
{
PORTB ^= ( 1 << PB0 ); // Toggle PB0 z. B. angeschlossene LED
long_delay(1000); // Eine Sekunde warten...
}

return 0;
}
</c>

== avr-libc Versionen ab 1.6 ==

_delay_ms() kann mit einem Argument bis 6553,5 ms (= 6,5535 Sekunden) benutzt werden. Es ist nicht möglich, eine Variable als Argument zu übergeben. Wird die früher gültige Grenze von 262,14 ms/F_CPU (in MHz) überschritten, so arbeitet _delay_ms() einfach etwas ungenauer und zählt nur noch mit einer Auflösung von 1/10 ms. Eine Verzögerung von 1000,10 ms ließe sich nicht mehr von einer von 1000,19 ms unterscheiden. Ein Verlust, der sich im Allgemeinen verschmerzen lässt. Dem Programmierer wird keine Rückmeldung gegeben, dass die Funktion ggf. gröber arbeitet, d.h. wenn es darauf ankommt, bitte den Parameter wie bisher geschickt wählen.

Die Funktion _delay_us() wurde ebenfalls erweitert. Wenn deren maximal als genau behandelbares Argument überschritten wird, benutzt diese intern _delay_ms(). Damit gelten in diesem Fall die _delay_ms() Einschränkungen.

Beispiel: Blinken einer LED an PORTB Pin PB0 im ca. 1s Rhythmus, avr-libc ab Version 1.6
<c>
#include <avr/io.h>
#ifndef F_CPU
/* Definiere F_CPU, wenn F_CPU nicht bereits vorher definiert
(z.B. durch Übergabe als Parameter zum Compiler innerhalb
des Makefiles). Zusätzlich Ausgabe einer Warnung, die auf die
"nachträgliche" Definition hinweist */
#warning "F_CPU war noch nicht definiert, wird nun mit 3686400 definiert"
#define F_CPU 3686400UL /* Quarz mit 3.6864 Mhz */
#endif
#include <util/delay.h>

int main( void )
{
DDRB = ( 1 << PB0 ); // PB0 an PORTB als Ausgang setzen

while( 1 ) { // Endlosschleife
PORTB ^= ( 1 << PB0 ); // Toggle PB0 z.B. angeschlossene LED
_delay_ms(1000); // Eine Sekunde +/-1/10000 Sekunde warten...
// funktioniert nicht mit Bibliotheken vor 1.6

}
return 0;
}
</c>

Trick zur Übergabe einer Variablen an _delay_ms():
<c>
#include <avr/io.h>
#ifndef F_CPU
#warning "F_CPU war noch nicht definiert, wird nun mit 3686400 definiert"
#define F_CPU 3686400UL /* Quarz mit 3.6864 Mhz */
#endif
#include <util/delay.h>

void sleep ( uint8_t ms )
{
for(; ms > 0; ms--) _delay_ms(1);
}

int main( void )
{
int x = 0; // Variable als Wartezeit erstellen
DDRB = ( 1 << PB0 ); // PB0 an PORTB als Ausgang setzen

while( 1 ) { // Endlosschleife
PORTB ^= ( 1 << PB0 ); // Toggle PB0 z.B. angeschlossene LED
sleep(x);
x++;
}
return 0;
}
</c>

Die _delay_ms() und die _delay_us aus '''avr-libc 1.7.0''' sind fehlerhaft. _delay_ms () läuft 4x schneller als erwartet. Abhilfe ist eine korrigierte Includedatei: [http://www.mikrocontroller.net/topic/196738#1943039]

= Programmieren mit Interrupts =

<div style="float:right; margin:2em;">
[[Image:Interrupt Programme.gif]]
</div>
Nachdem wir nun alles Wissenswerte für die serielle Programmerstellung
gelernt haben nehmen wir jetzt ein völlig anderes Thema in Angriff, nämlich
die Programmierung unter Zuhilfenahme der Interrupts des AVR.

Als erstes wollen wir uns noch einmal den allgemeinen Programmablauf bei der
Interrupt-Programmierung zu Gemüte führen.

Man sieht, dass die Interruptroutine quasi parallel zum Hauptprogramm
abläuft. Da wir nur eine CPU haben ist es natürlich keine echte Parallelität,
sondern das Hauptprogramm wird beim Eintreffen eines Interrupts unterbrochen,
die Interruptroutine wird ausgeführt und danach erst wieder zum Hauptprogramm
zurückgekehrt.

Siehe auch

* [http://www.mikrocontroller.net/forum/read-1-235092.html#new Ausführlicher Thread im Forum]
* Artikel [[Interrupt]]
* Artikel [[Multitasking]]
{{Clear}}

== Anforderungen an Interrupt-Routinen ==

Um unliebsamen Überraschungen vorzubeugen, sollten einige Grundregeln bei der Implementierung der Interruptroutinen beachtet werden. Interruptroutinen sollten möglichst kurz und schnell abarbeitbar sein, daraus folgt:

* Keine umfangreichen Berechnungen innerhalb der Interruptroutine. (*)
* Keine langen Programmschleifen.
* Obwohl es möglich ist, während der Abarbeitung einer Interruptroutine andere oder sogar den gleichen Interrupt wieder zuzulassen, wird davon ohne genaue Kenntnis der internen Abläufe dringend abgeraten.

Interruptroutinen (ISRs) sollten also möglichst kurz sein und keine Schleifen mit vielen Durchläufen enthalten. Längere Operationen können meist in einen "Interrupt-Teil" in einer ISR und einen "Arbeitsteil" im Hauptprogramm aufgetrennt werden. Z.B. Speichern des Zustands aller Eingänge im EEPROM in bestimmten Zeitabständen: ISR-Teil: Zeitvergleich (Timer,RTC) mit Logzeit/-intervall. Bei Übereinstimmung ein globales Flag setzen (volatile bei Flag-Deklaration nicht vergessen, s.u.). Dann im Hauptprogramm prüfen, ob das Flag gesetzt ist. Wenn ja: die Daten im EEPROM ablegen und Flag löschen.

(*)
Hinweis:
Es gibt allerdings die seltene Situation, dass man gerade eingelesene
ADC-Werte sofort verarbeiten muss. Besonders dann, wenn man mehrere Werte sehr
schnell hintereinander bekommt. Dann bleibt einem nichts anderes übrig, als die
Werte noch in der ISR zu verarbeiten. Kommt aber sehr selten vor und sollte
durch geeignete Wahl des Systemtaktes bzw. Auswahl des Controllers vermieden werden!

== Interrupt-Quellen ==

Die folgenden Ereignisse können einen Interrupt auf einem AVR AT90S2313 auslösen, wobei die Reihenfolge der Auflistung auch die Priorität der Interrupts aufzeigt.

* Reset
* Externer Interrupt 0
* Externer Interrupt 1
* Timer/Counter 1 Capture Ereignis
* Timer/Counter 1 Compare Match
* Timer/Counter 1 Überlauf
* Timer/Counter 0 Überlauf
* UART Zeichen empfangen
* UART Datenregister leer
* UART Zeichen gesendet
* Analoger Komparator

Die Anzahl der möglichen Interruptquellen variiert zwischen den verschiedenen Microcontroller-Typen. Im Zweifel hilft ein Blick ins Datenblatt ("Interrupt Vectors").

== Register ==

Der AT90S2313 verfügt über 2 Register die mit den
Interrupts zusammen hängen.

{| class="wikitable"
|-
| '''GIMSK'''
| '''G'''eneral '''I'''nterrupt '''M'''ask '''R'''egister. 

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7 || 6|| 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| '''INT1''' || '''INT0''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-'''
|-
! R/W
| R/W || R/W || R || R || R || R || R || R
|-
! Initialwert
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0
|}

'''INT1''' (External '''Int'''errupt Request '''1''' Enable)
:Wenn dieses Bit gesetzt ist, wird ein Interrupt ausgelöst, wenn am '''INT1'''-Pin eine steigende oder fallende (je nach Konfiguration im '''MCUCR''') Flanke erkannt wird.
:Das Global Enable Interrupt Flag muss selbstverständlich auch gesetzt sein.
:Der Interrupt wird auch ausgelöst, wenn der Pin als Ausgang geschaltet ist. Auf diese Weise bietet sich die Möglichkeit, Software-Interrupts zu realisieren.

'''INT0''' (External '''Int'''errupt Request '''0''' Enable)
:Wenn dieses Bit gesetzt ist, wird ein Interrupt ausgelöst, wenn am '''INT0'''-Pin eine steigende oder fallende (je nach Konfiguration im '''MCUCR''') Flanke erkannt wird.
:Das Global Enable Interrupt Flag muss selbstverständlich auch gesetzt sein.
:Der Interrupt wird auch ausgelöst, wenn der Pin als Ausgang geschaltet ist. Auf diese Weise bietet sich die Möglichkeit, Software-Interrupts zu realisieren.

|-
| '''GIFR'''
| '''G'''eneral '''I'''nterrupt '''F'''lag '''R'''egister.

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7 || 6 || 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| '''INTF1''' || '''INTF0''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-'''
|-
! R/W
| R/W || R/W || R || R || R || R || R || R
|-
! Initialwert
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0
|}

'''INTF1''' (External '''Int'''errupt Flag '''1''')
:Dieses Bit wird gesetzt, wenn am '''INT1'''-Pin eine Interrupt-Bedingung, entsprechend der Konfiguration, als eingetreten erkannt wird. Wenn das Global Enable Interrupt Flag gesetzt ist, wird die Interruptroutine angesprungen.
:Das Flag wird automatisch gelöscht, wenn die Interruptroutine beendet ist. Alternativ kann das Flag gelöscht werden, indem der Wert '''1(!)''' eingeschrieben wird.

'''INTF0''' (External '''Int'''errupt Flag '''0''')
:Dieses Bit wird gesetzt, wenn am '''INT0'''-Pin eine Interrupt-Bedingung, entsprechend der Konfiguration, als eingetreten erkannt wird. Wenn das Global Enable Interrupt Flag gesetzt ist, wird die Interruptroutine angesprungen.
:Das Flag wird automatisch gelöscht, wenn die Interruptroutine beendet ist. Alternativ kann das Flag gelöscht werden, indem der Wert '''1(!)''' eingeschrieben wird.
|-
| '''MCUCR'''
| '''MCU''' '''C'''ontrol '''R'''egister.

Das MCU Control Register enthält Kontrollbits für allgemeine MCU-Funktionen.

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7 || 6 || 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| '''-'''|| '''-'''|| '''SE'''|| '''SM'''|| '''ISC11'''|| '''ISC10'''|| '''ISC01'''|| '''ISC00'''
|-
! R/W
| R || R || R/W || R/W || R/W || R/W || R/W || R/W
|-
! Initialwert
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0

|}

'''SE''' ('''S'''leep '''E'''nable)
:Dieses Bit muss gesetzt sein, um den Controller mit dem '''SLEEP'''-Befehl in den Schlafzustand versetzen zu können.
:Um den Schlafmodus nicht irrtümlich einzuschalten, wird empfohlen, das Bit erst unmittelbar vor Ausführung des '''SLEEP'''-Befehls zu setzen.

'''SM''' ('''S'''leep '''M'''ode)
:Dieses Bit bestimmt über den Schlafmodus.
:Ist das Bit gelöscht, so wird der '''Idle'''-Modus ausgeführt. Ist das Bit gesetzt, so wird der '''Power-Down'''-Modus ausgeführt. (für andere AVR Controller siehe Abschnitt "Sleep-Mode")

'''ISC11''', '''ISC10''' ('''I'''nterrupt '''S'''ense '''C'''ontrol '''1''' Bits)
:Diese beiden Bits bestimmen, ob die steigende oder die fallende Flanke für die Interrupterkennung am '''INT1'''-Pin ausgewertet wird.

:{| class="wikitable"
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! ISC11 || ISC10 || Bedeutung
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| Low Level an '''INT1''' erzeugt einen Interrupt.

Der Interrupt wird getriggert, solange der Pin auf 0 bleibt.
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| Reserviert
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| Die fallende Flanke an '''INT1''' erzeugt einen Interrupt.
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| Die steigende Flanke an '''INT1''' erzeugt einen Interrupt.
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'''ISC01''', '''ISC00''' ('''I'''nterrupt '''S'''ense '''C'''ontrol '''0''' Bits)
:Diese beiden Bits bestimmen, ob die steigende oder die fallende Flanke für die Interrupterkennung am '''INT0'''-Pin ausgewertet wird.

:{| class="wikitable"
|-
! ISC01 || ISC00 || Bedeutung
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| Low Level an '''INT0''' erzeugt einen Interrupt.

Der Interrupt wird getriggert, solange der Pin auf 0 bleibt.
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| Reserviert
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| Die fallende Flanke an '''INT0''' erzeugt einen Interrupt.
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| Die steigende Flanke an '''INT0''' erzeugt einen Interrupt.
|}

|}

== Allgemeines über die Interrupt-Abarbeitung ==

Wenn ein Interrupt eintrifft, wird automatisch das '''Global Interrupt Enable''' Bit im Status Register '''SREG''' gelöscht und alle weiteren Interrupts unterbunden. Obwohl es möglich ist, zu diesem Zeitpunkt bereits wieder das GIE-bit zu setzen, wird dringend davon abgeraten. Dieses wird nämlich automatisch gesetzt, wenn die Interruptroutine beendet wird. Wenn in der Zwischenzeit weitere Interrupts eintreffen, werden die zugehörigen Interrupt-Bits gesetzt und die Interrupts bei Beendigung der laufenden Interrupt-Routine in der Reihenfolge ihrer Priorität ausgeführt. Dies kann
eigentlich nur dann zu Problemen führen, wenn ein hoch priorisierter Interrupt ständig und in kurzer Folge auftritt. Dieser sperrt dann möglicherweise alle anderen Interrupts mit niedrigerer Priorität. Dies ist einer der Gründe, weshalb die Interrupt-Routinen sehr kurz gehalten werden sollen.



== Interrupts mit dem AVR GCC Compiler (WinAVR) ==


Funktionen zur Interrupt-Verarbeitung werden in den Includedateien ''interrupt.h'' der avr-libc zur Verfügung gestellt (bei älterem Quellcode zusätzlich ''signal.h'').

<c>
// fuer sei(), cli() und ISR():
#include <avr/interrupt.h>
</c>

Das Makro '''sei()''' schaltet die Interrupts ein. Eigentlich wird nichts anderes gemacht, als das '''Global Interrupt Enable''' Bit im Status Register gesetzt.

<c>
sei();
</c>

Das Makro '''cli()''' schaltet die Interrupts aus, oder anders gesagt, das '''Global Interrupt Enable''' Bit im Status Register wird gelöscht.

<c>
cli();
</c>

Oft steht man vor der Aufgabe, dass eine Codesequenz nicht unterbrochen werden darf. Es liegt dann nahe, zu Beginn dieser Sequenz ein cli() und am Ende ein sei() einzufügen. Dies ist jedoch ungünstig, wenn die Interrupts vor Aufruf der Sequenz deaktiviert waren und danach auch weiterhin deaktiviert bleiben sollen. Ein sei() würde ungeachtet des vorherigen Zustands die Interrupts aktivieren, was zu unerwünschten Seiteneffekten führen kann. Die aus dem folgenden Beispiel ersichtliche Vorgehensweise ist in solchen Fällen vorzuziehen:

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <inttypes.h>

//...

void NichtUnterbrechenBitte(void)
{
uint8_t tmp_sreg; // temporaerer Speicher fuer das Statusregister

tmp_sreg = SREG; // Statusregister (also auch das I-Flag darin) sichern
cli(); // Interrupts global deaktivieren

/* hier "unterbrechnungsfreier" Code */

/* Beispiel Anfang
JTAG-Interface eines ATmega16 per Software deaktivieren
und damit die JTAG-Pins an PORTC für "general I/O" nutzbar machen
ohne die JTAG-Fuse-Bit zu aendern. Dazu ist eine "timed sequence"
einzuhalten (vgl Datenblatt ATmega16, Stand 10/04, S. 229):
Das JTD-Bit muss zweimal innerhalb von 4 Taktzyklen geschrieben
werden. Ein Interrupt zwischen den beiden Schreibzugriffen wuerde
die erforderliche Sequenz "brechen", das JTAG-Interface bliebe
weiterhin aktiv und die IO-Pins weiterhin für JTAG reserviert. */

MCUCSR |= (1<<JTD);
MCUCSR |= (1<<JTD); // 2 mal in Folge ,vgl. Datenblatt fuer mehr Information

/* Beispiel Ende */

SREG = tmp_sreg; // Status-Register wieder herstellen
// somit auch das I-Flag auf gesicherten Zustand setzen
}

void NichtSoGut(void)
{
cli();

/* hier "unterbrechnungsfreier" Code */

sei();
}

int main(void)
{
//...

cli();
// Interrupts global deaktiviert

NichtUnterbrechenBitte();
// auch nach Aufruf der Funktion deaktiviert

sei();
// Interrupts global aktiviert

NichtUnterbrechenBitte();
// weiterhin aktiviert
//...

/* Verdeutlichung der unguenstigen Vorgehensweise mit cli/sei: */
cli();
// Interrupts jetzt global deaktiviert

NichtSoGut();
// nach Aufruf der Funktion sind Interrupts global aktiviert
// dies ist mglw. ungewollt!
//...

}
</c>


Zu den aktivierten Interrupts ist eine Funktion zu programmieren, deren Code aufgerufen wird, wenn der betreffende Interrupt auftritt (Interrupt-Handler, Interrupt-Service-Routine). Dazu existiert die Definition (ein Makro) '''ISR'''.

=== ISR ===

(''ISR()'' ersetzt bei neueren Versionen der avr-libc ''SIGNAL()''. SIGNAL sollte nicht mehr genutzt werden, zur Portierung von SIGNAL nach ISR siehe den [[AVR-GCC-Tutorial#Anhang|Anhang]].)

<c>
#include <avr/interrupt.h>
//...
ISR(Vectorname) /* vormals: SIGNAL(siglabel) dabei Vectorname != siglabel ! */
{
/* Interrupt Code */
}
</c>

Mit ''ISR'' wird eine Funktion für die Bearbeitung eines Interrupts eingeleitet. Als Argument muss dabei die Benennung des entsprechenden Interruptvektors angegeben werden. Diese sind in den jeweiligen Includedateien IOxxxx.h zu finden. Die Bezeichnung entspricht dem Namen aus dem Datenblatt, bei dem die Leerzeichen durch Unterstriche ersetzt sind und ein ''_vect'' angehängt ist.

Als Beispiel ein Ausschnitt aus der Datei für den ATmega8 (bei WinAVR Standardinstallation in C:\WinAVR\avr\include\avr\iom8.h) in der neben den aktuellen Namen für ''ISR'' (*_vect) noch die Bezeichnungen für das inzwischen nicht mehr aktuelle ''SIGNAL'' (SIG_*) enthalten sind.

<c>
//...
/* $Id: iom8.h,v 1.13 2005/10/30 22:11:23 joerg_wunsch Exp $ */

/* avr/iom8.h - definitions for ATmega8 */
//...

/* Interrupt vectors */

/* External Interrupt Request 0 */
#define INT0_vect _VECTOR(1)
#define SIG_INTERRUPT0 _VECTOR(1)

/* External Interrupt Request 1 */
#define INT1_vect _VECTOR(2)
#define SIG_INTERRUPT1 _VECTOR(2)

/* Timer/Counter2 Compare Match */
#define TIMER2_COMP_vect _VECTOR(3)
#define SIG_OUTPUT_COMPARE2 _VECTOR(3)

/* Timer/Counter2 Overflow */
#define TIMER2_OVF_vect _VECTOR(4)
#define SIG_OVERFLOW2 _VECTOR(4)

/* Timer/Counter1 Capture Event */
#define TIMER1_CAPT_vect _VECTOR(5)
#define SIG_INPUT_CAPTURE1 _VECTOR(5)

/* Timer/Counter1 Compare Match A */
#define TIMER1_COMPA_vect _VECTOR(6)
#define SIG_OUTPUT_COMPARE1A _VECTOR(6)

/* Timer/Counter1 Compare Match B */
#define TIMER1_COMPB_vect _VECTOR(7)
#define SIG_OUTPUT_COMPARE1B _VECTOR(7)

//...
</c>


Mögliche Funktionsrümpfe für Interruptfunktionen sind zum Beispiel:

<c>
#include <avr/interrupt.h>
/* veraltet: #include <avr/signal.h> */

ISR(INT0_vect) /* veraltet: SIGNAL(SIG_INTERRUPT0) */
{
/* Interrupt Code */
}

ISR(TIMER0_OVF_vect) /* veraltet: SIGNAL(SIG_OVERFLOW0) */
{
/* Interrupt Code */
}

ISR(USART_RXC_vect) /* veraltet: SIGNAL(SIG_UART_RECV) */
{
/* Interrupt Code */
}

// und so weiter und so fort...
</c>

Auf die korrekte Schreibweise der Vektorbezeichnung ist zu achten. Der gcc-Compiler prüft erst ab Version 4.x, ob ein Signal/Interrupt der angegebenen Bezeichnung tatsächlich in der Includedatei definiert ist und gibt andernfalls eine Warnung aus. Bei WinAVR (ab 2/2005) wurde die Überprüfung auch in den mitgelieferten Compiler der Version 3.x integriert. Aus dem gcc-Quellcode Version 3.x selbst erstellte Compiler enthalten die Prüfung nicht (vgl. [[AVR-GCC]]).

Während der Ausführung der Funktion sind alle weiteren Interrupts automatisch gesperrt. Beim Verlassen der Funktion werden die Interrupts wieder zugelassen.

Sollte während der Abarbeitung der Interruptroutine ein weiterer Interrupt (gleiche oder andere Interruptquelle) auftreten, so wird das entsprechende Bit im zugeordneten Interrupt Flag Register gesetzt und die entsprechende Interruptroutine automatisch nach dem Beenden der aktuellen Funktion aufgerufen.

Ein Problem ergibt sich eigentlich nur dann, wenn während der Abarbeitung der aktuellen Interruptroutine mehrere gleichartige Interrupts auftreten. Die entsprechende Interruptroutine wird im Nachhinein zwar aufgerufen jedoch wissen wir nicht, ob nun der entsprechende Interrupt einmal, zweimal oder gar noch öfter aufgetreten ist. Deshalb soll hier noch einmal betont werden, dass Interruptroutinen so schnell wie nur irgend möglich wieder verlassen werden sollten.

=== Unterbrechbare Interruptroutinen ===

"Faustregel": im Zweifel '''ISR'''. Die nachfolgend beschriebene Methode nur dann verwenden, wenn man sich über die unterschiedliche Funktionsweise im Klaren ist.

<c>
#include <avr/interrupt.h>

ISR(XXX,ISR_NOBLOCK) /* veraltet: INTERRUPT(SIG_OVERFLOW0) */
{
/* Interrupt-Code */
}
</c>

Hierbei steht XXX für den oben beschriebenen Namen des Vektors (also z. B. ''TIMER0_OVF_vect''). Der Unterschied im Vergleich zu einer herkömmlichen ISR ist, dass hier beim Aufrufen der Funktion das '''Global Enable Interrupt''' Bit durch Einfügen einer SEI-Anweisung direkt wieder gesetzt und somit alle Interrupts zugelassen werden – auch XXX-Interrupts.

Bei unsachgemässer Handhabung kann dies zu erheblichen Problemen wie einem Stack-Overflow oder anderen unerwarteten Effekten führen und sollte wirklich nur dann eingesetzt werden, wenn man sich sicher ist, das Ganze auch im Griff zu haben.

Insbesondere sollte möglichst am ISR-Anfang die auslösende IRQ-Quelle deaktiviert und erst am Ende der ISR wieder aktiviert werden. Robuster als die Verwendung einer NOBLOCK-ISR ist daher folgender ISR-Aufbau:

<c>
#include <avr/interrupt.h>

ISR (XXX)
{
// Implementiere die ISR ohne zunaechst weitere IRQs zuzulassen

<<Dektiviere die XXX-IRQ>>

// Erlaube alle Interrupts (ausser XXX)
sei();

//... Code ...

// IRQs global deaktivieren um die XXX-IRQ wieder gefahrlos
// aktivieren zu koennen
cli();

<<Aktiviere die XXX-IRQ>>
}
</c>
Auf diese Weise kann sich die XXX-IRQ nicht selbst unterbrechen, was zu einer Art Endlosschleife führen würde.

Siehe auch: Hinweise in [[AVR-GCC]]

siehe dazu: http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__avr__interrupts.html

== Datenaustausch mit Interrupt-Routinen ==

Variablen, die sowohl in Interrupt-Routinen (ISR = Interrupt Service Routine(s)) als auch vom übrigen Programmcode geschrieben oder gelesen werden, müssen mit einem '''volatile''' deklariert werden. Damit wird dem Compiler mitgeteilt, dass der Inhalt der Variablen vor jedem Lesezugriff aus dem Speicher gelesen und nach jedem Schreibzugriff in den Speicher geschrieben wird. Ansonsten könnte der Compiler den Code so optimieren, dass der Wert der Variablen nur in Prozessorregistern zwischengespeichert wird, die nichts von der Änderung woanders mitbekommen.

Zur Veranschaulichung ein Codefragment für eine Tastenentprellung mit Erkennung einer "lange gedrückten" Taste.

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <stdint.h>
//...

// Schwellwerte
// Entprellung:
#define CNTDEBOUNCE 10
// "lange gedrueckt:"
#define CNTREPEAT 200

// hier z. B. Taste an Pin2 PortA "active low" = 0 wenn gedrueckt
#define KEY_PIN PINA
#define KEY_PINNO PA2

// beachte: volatile!
volatile uint8_t gKeyCounter;

// Timer-Compare Interrupt ISR, wird z.B. alle 10ms ausgefuehrt
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
// hier wird gKeyCounter veraendert. Die übrigen
// Programmteile müssen diese Aenderung "sehen":
// volatile -> aktuellen Wert immer in den Speicher schreiben
if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
if (gKeyCounter < CNTREPEAT) gKeyCounter++;
}
else {
gKeyCounter = 0;
}
}

//...

int main(void)
{
//...
/* hier: Initialisierung der Ports und des Timer-Interrupts */
//...
// hier wird auf gKeyCounter zugegriffen. Dazu muss der in der
// ISR geschriebene Wert bekannt sein:
// volatile -> aktuellen Wert immer aus dem Speicher lesen
if ( gKeyCounter > CNTDEBOUNCE ) { // Taste mind. 10*10 ms "prellfrei"
if (gKeyCounter == CNTREPEAT) {
/* hier: Code fuer "Taste lange gedrueckt" */
}
else {
/* hier: Code fuer "Taste kurz gedrueckt" */
}
}
//...
}
</c>

Wird innerhalb einer ISR mehrfach auf eine mit volatile deklarierte Variable zugegriffen, wirkt sich dies ungünstig auf die Verarbeitungsgeschwindigkeit aus, da bei jedem Zugriff mit dem Speicherinhalt abgeglichen wird. Da bei AVR-Controllern ''innerhalb'' einer ISR keine Unterbrechungen zu erwarten sind, bietet es sich an, einen Zwischenspeicher in Form einer lokalen Variable zu verwenden, deren Inhalt zu Beginn und am Ende mit dem der volatile Variable synchronisiert wird. Lokale Variable werden bei eingeschalteter Optimierung mit hoher Wahrscheinlichkeit in Prozessorregistern verwaltet und der Zugriff darauf ist daher nur mit wenigen internen Operationen verbunden. Die ISR aus dem vorherigen Beispiel lässt sich so optimieren:

<c>
//...
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
uint8_t tmp_kc;

tmp_kc = gKeyCounter; // Uebernahme in lokale Arbeitsvariable

if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
if (tmp_kc < CNTREPEAT) {
tmp_kc++;
}
}
else {
tmp_kc = 0;
}

gKeyCounter = tmp_kc; // Zurueckschreiben
}
//...
</c>

Zum Vergleich die Disassemblies (Ausschnitte der "lss-Dateien", compiliert für ATmega162) im Anschluss. Man erkennt den viermaligen Zugriff auf die Speicheraddresse von ''gKeyCounter'' (hier 0x032A) in der ISR ohne "Cache"-Variable und den zweimaligen Zugriff in der Variante mit Zwischenspeicher. Im Beispiel ist der Vorteil gering, bei komplexeren Routinen kann die Zwischenspeicherung in lokalen Variablen jedoch zu deutlicheren Verbesserungen führen.

<pre>
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
86a: 1f 92 push r1
86c: 0f 92 push r0
86e: 0f b6 in r0, 0x3f ; 63
870: 0f 92 push r0
872: 11 24 eor r1, r1
874: 8f 93 push r24
if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
876: ca 99 sbic 0x19, 2 ; 25
878: 0a c0 rjmp .+20 ; 0x88e <__vector_13+0x24>
if (gKeyCounter < CNTREPEAT) gKeyCounter++;
87a: 80 91 2a 03 lds r24, 0x032A
87e: 88 3c cpi r24, 0xC8 ; 200
880: 40 f4 brcc .+16 ; 0x892 <__vector_13+0x28>
882: 80 91 2a 03 lds r24, 0x032A
886: 8f 5f subi r24, 0xFF ; 255
888: 80 93 2a 03 sts 0x032A, r24
88c: 02 c0 rjmp .+4 ; 0x892 <__vector_13+0x28>
}
else {
gKeyCounter = 0;
88e: 10 92 2a 03 sts 0x032A, r1
892: 8f 91 pop r24
894: 0f 90 pop r0
896: 0f be out 0x3f, r0 ; 63
898: 0f 90 pop r0
89a: 1f 90 pop r1
89c: 18 95 reti
</pre>

<pre>
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
86a: 1f 92 push r1
86c: 0f 92 push r0
86e: 0f b6 in r0, 0x3f ; 63
870: 0f 92 push r0
872: 11 24 eor r1, r1
874: 8f 93 push r24
uint8_t tmp_kc;

tmp_kc = gKeyCounter;
876: 80 91 2a 03 lds r24, 0x032A

if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
87a: ca 9b sbis 0x19, 2 ; 25
87c: 02 c0 rjmp .+4 ; 0x882 <__vector_13+0x18>
87e: 80 e0 ldi r24, 0x00 ; 0
880: 03 c0 rjmp .+6 ; 0x888 <__vector_13+0x1e>
if (tmp_kc < CNTREPEAT) {
882: 88 3c cpi r24, 0xC8 ; 200
884: 08 f4 brcc .+2 ; 0x888 <__vector_13+0x1e>
tmp_kc++;
886: 8f 5f subi r24, 0xFF ; 255
}
}
else {
tmp_kc = 0;
}

gKeyCounter = tmp_kc;
888: 80 93 2a 03 sts 0x032A, r24
88c: 8f 91 pop r24
88e: 0f 90 pop r0
890: 0f be out 0x3f, r0 ; 63
892: 0f 90 pop r0
894: 1f 90 pop r1
896: 18 95 reti
</pre>

=== volatile und Pointer ===

Bei '''volatile''' in Verbindung mit Pointern ist zu beachten, ob der Pointer selbst oder die Variable, auf die der Pointer zeigt, '''volatile''' ist.

<c>
volatile uint8_t *a; // das Ziel von a ist volatile

uint8_t *volatile a; // a selbst ist volatile
</c>

Falls der Pointer volatile ist (zweiter Fall im Beispiel), ist zu beachten, dass der Wert des Pointers, also eine Speicheradresse, intern in mehr als einem Byte verwaltet wird. Lese- und Schreibzugriffe im Hauptprogramm (außerhalb von Interrupt-Routinen) sind daher so zu implementieren, dass alle Teilbytes der Adresse konsistent bleiben, vgl. dazu den folgenden Abschnitt.

=== Variablen größer 1 Byte ===

Bei Variablen größer ein Byte, auf die in Interrupt-Routinen und im Hauptprogramm zugegriffen wird, muss darauf geachtet werden, dass die Zugriffe auf die einzelnen Bytes außerhalb der ISR nicht durch einen Interrupt unterbrochen werden. (Allgemeinplatz: AVRs sind 8-bit Controller). Zur Veranschaulichung ein Codefragment:

<c>
//...
volatile uint16_t gMyCounter16bit;
//...
ISR(...)
{
//...
gMyCounter16Bit++;
//...
}

int main(void)
{
uint16_t tmpCnt;
//...
// nicht gut: Mglw. hier ein Fehler, wenn ein Byte von MyCounter
// schon in tmpCnt kopiert ist aber vor dem Kopieren des zweiten Bytes
// ein Interrupt auftritt, der den Inhalt von MyCounter verändert.
tmpCnt = gMyCounter16bit;

// besser: Änderungen "außerhalb" verhindern -> alle "Teilbytes"
// bleiben konsistent
cli(); // Interrupts deaktivieren
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
sei(); // wieder aktivieren

// oder: vorheriger Status des globalen Interrupt-Flags bleibt erhalten
uint8_t sreg_tmp;
sreg_tmp = SREG; /* Sichern */
cli()
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
SREG = sreg_tmp; /* Wiederherstellen */

// oder: mehrfach lesen, bis man konsistente Daten hat
uint16_t count1 = gMyCounter16Bit;
uint16_t count2 = gMyCounter16Bit;
while (count1 != count2) {
count1 = count2;
count2 = gMyCounter16Bit;
}
tmpCnt = count1;
//...
}
</c>

Die avr-libc bietet ab Version 1.6.0(?) einige Hilfsfunktionen/Makros, mit der im Beispiel oben gezeigten Funktionalität, die zusätzlich auch sogenannte [http://en.wikipedia.org/wiki/Memory_barrier memory barriers] beinhalten. Diese stehen nach #include <util/atomic.h> zur Verfügung.
<c>
//...
#include <util/atomic.h>
//...

// analog zu cli, Zugriff, sei:
ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_FORCEON) {
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
}

// oder:

// analog zu Sicherung des SREG, cli, Zugriff und Zurückschreiben des SREG:
ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_RESTORESTATE) {
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
}

//...
</c>

* siehe auch [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__util__atomic.html Dokumentation der avr-libc zu atomic.h]

== Interrupt-Routinen und Registerzugriffe ==

Falls Register sowohl im Hauptprogramm als auch in Interrupt-Routinen verändert werden, ist darauf zu achten, dass diese Zugriffe sich nicht überlappen. Nur wenige Anweisungen lassen sich in sogenannte "atomare" Zugriffe übersetzen, die nicht von Interrupt-Routinen unterbrochen werden können.

Zur Veranschaulichung eine Anweisung, bei der ein Bit und im Anschluss drei Bits in einem Register gesetzt werden:

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

int main(void)
{
//...
PORTA |= (1<<PA0);

PORTA |= (1<<PA2)|(1<<PA3)|(1<<PA4);
//...
}
</c>

Der Compiler übersetzt diese Anweisungen für einen ATmega128 bei Optimierungsstufe "S" nach:

<div class="code"><pre>
...
PORTA |= (1<<PA0);
d2: d8 9a sbi 0x1b, 0 ; 27 (a)

PORTA |= (1<<PA2)|(1<<PA3)|(1<<PA4);
d4: 8b b3 in r24, 0x1b ; 27 (b)
d6: 8c 61 ori r24, 0x1C ; 28 (c)
d8: 8b bb out 0x1b, r24 ; 27 (d)
...
</pre></div>

Das Setzen des einzelnen Bits wird bei eingeschalteter Optimierung für Register im unteren Speicherbereich in eine einzige Assembler-Anweisung (sbi) übersetzt und ist nicht anfällig für Unterbrechungen durch Interrupts. Die Anweisung zum Setzen von drei Bits wird jedoch in drei abhängige Assembler-Anweisungen übersetzt und bietet damit zwei "Angriffspunkte" für Unterbrechungen. Eine Interrupt-Routine könnte nach dem Laden des Ausgangszustands in den Zwischenspeicher (hier Register 24) den Wert des Registers ändern, z. B. ein Bit löschen. Damit würde der Zwischenspeicher nicht mehr mit dem tatsächlichen Zustand übereinstimmen aber dennoch nach der Bitoperation (hier ori) in das Register zurückgeschrieben.

Beispiel: PORTA sei anfangs 0b00000000. Die erste Anweisung (a) setzt Bit 0, PORTA ist danach 0b00000001. Nun wird im ersten Teil der zweiten Anweisung der Portzustand in ein Register eingelesen (b). Unmittelbar darauf (vor (c)) "feuert" ein Interrupt, in dessen Interrupt-Routine Bit 0 von PORTA gelöscht wird. Nach Verlassen der Interrupt-Routine hat PORTA den Wert 0b00000000. In den beiden noch folgenden Anweisungen des Hauptprogramms wird nun der zwischengespeicherte "alte" Zustand 0b00000001 mit 0b00011100 logisch-oder-verknüft (c) und das Ergebnis 0b00011101 in PortA geschrieben (d). Obwohl zwischenzeitlich Bit 0 gelöscht wurde, ist es nach (d) wieder gesetzt.

Lösungsmöglichkeiten:
* Register ohne besondere Vorkehrungen nicht in Interruptroutinen ''und'' im Hauptprogramm verändern.
* Interrupts vor Veränderungen in Registern, die auch in ISRs verändert werden, deaktivieren ("cli").
* Bits einzeln löschen oder setzen. sbi und cbi können nicht unterbrochen werden. Vorsicht: nur Register im unteren Speicherbereich sind mittels sbi/cbi ansprechbar. Der Compiler kann nur für diese sbi/cbi-Anweisungen generieren. Für Register außerhalb dieses Adressbereichs ("Memory-Mapped"-Register) werden auch zur Manipulation einzelner Bits abhängige Anweisungen erzeugt (lds,...,sts).

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Frequently asked Questions/Fragen Nr. 1 und 8. (Stand: avr-libc Vers. 1.0.4)

== Interruptflags löschen ==

Beim Löschen von Interruptflags haben AVRs eine Besonderheit, die auch im Datenblatt beschrieben ist: Es wird zum Löschen eine 1 in das betreffende Bit geschrieben.

Hinweis: Dazu '''nicht''' übliche bitweise VerODERung nehmen, sondern eine direkte Zuweisung machen ([http://www.mikrocontroller.net/topic/171148#1640133 Erklärung]).

== Was macht das Hauptprogramm? ==

Im einfachsten (Ausnahme-)Fall gar nichts mehr. Es ist also durchaus denkbar, ein Programm zu schreiben, welches in der main-Funktion lediglich noch die Interrupts aktiviert und dann in einer Endlosschleife verharrt. Sämtliche Funktionen werden dann in den ISRs abgearbeitet. Diese Vorgehensweise ist jedoch bei den meisten Anwendungen schlecht: man verschenkt eine Verarbeitungsebene und hat außerdem möglicherweise Probleme durch Interruptroutinen, die zu viel Verarbeitungszeit benötigen.

Normalerweise wird man in den Interruptroutinen nur die bei Auftreten des jeweiligen Interruptereignisses unbedingt notwendigen Operationen ausführen lassen. Alle weniger kritischen Aufgaben werden dann im Hauptprogramm abgearbeitet.

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Interrupts and Signals

= Sleep-Modes =

AVR Controller verfügen über eine Reihe von sogenannten [[Sleep Mode |''Sleep-Modes'']] ("Schlaf-Modi"). Diese ermöglichen es, Teile des Controllers abzuschalten. Zum Einen kann damit besonders bei Batteriebetrieb Strom gespart werden, zum Anderen können Komponenten des Controllers deaktiviert werden, die die Genauigkeit des Analog-Digital-Wandlers bzw. des Analog-Comparators negativ beeinflussen. Der Controller wird durch Interrupts aus dem Schlaf geweckt. Welche Interrupts den jeweiligen Schlafmodus beenden, ist einer Tabelle im Datenblatt des jeweiligen Controllers zu entnehmen.
Die Funktionen (eigentlich Makros) der avr-libc stehen nach Einbinden der header-Datei ''sleep.h'' zur Verfügung.

;set_sleep_mode (uint8_t mode): Setzt den Schlafmodus, der bei Aufruf von sleep() aktiviert wird. In sleep.h sind einige Konstanten definiert (z. B. SLEEP_MODE_PWR_DOWN). Die definierten Modi werden jedoch nicht alle von sämtlichten AVR-Controllern unterstützt.
;sleep_enable(): Aktiviert den gesetzten Schlafmodus, versetzt den Controller aber noch nicht in den Schlafmodus
;sleep_cpu(): Versetzt den Controller in den Schlafmodus .sleep_cpu wird im Prinzip durch die Assembler-Anweisung ''sleep'' ersetzt.
;sleep_disable(): Deaktiviert den gesetzten Schlafmodus
;sleep_mode(): Versetzt den Controller in den mit set_sleep_mode gewählten Schlafmodus. Das Makro entspricht sleep_enable()+sleep_cpu()+sleep_disable(), beinhaltet also nicht die Aktivierung von Interrupts (besser nicht benutzen).

Bei Anwendung von sleep_cpu() müssen Interrupts also bereits freigeben sein (sei()), da der Controller sonst nicht mehr "aufwachen" kann. sleep_mode() ist nicht geeignet für die Verwendung in ISR Interrupt-Service-Routinen, da bei deren Abarbeitung Interrupts global deaktiviert sind und somit auch die möglichen "Aufwachinterrupts". Abhilfe: stattdessen sleep_enable(), sei(), sleep_cpu(), sleep_disable() und evtl. cli() verwenden (vgl. Dokumentation der avr-libc).

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/sleep.h>

int main(void)
{
...

while (1) {
...
set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);
sleep_mode();

// Code hier wird erst nach Auftreten eines entsprechenden
// "Aufwach-Interrupts" verarbeitet
...
}
}
</c>

In älteren Versionenen der avr-libc wurden nicht alle AVR-Controller durch die sleep-Funktionen richtig angesteuert. Mit avr-libc 1.2.0 wurde die Anzahl der unterstützten Typen jedoch deutlich erweitert. Bei nicht-unterstützten Typen erreicht man die gewünschte Funktionalität durch direkte "[[Bitmanipulation]]" der entsprechenden Register (vgl. Datenblatt) und Aufruf des Sleep-Befehls via Inline-Assembler oder sleep_cpu():

<c>
#include <avr/io.h>
...
// Sleep-Mode "Power-Save" beim ATmega169 "manuell" aktivieren
SMCR = (3<<SM0) | (1<<SE);
asm volatile ("sleep"::); // alternativ sleep_cpu() aus sleep.h
...
</c>

== Sleep Modi ==
Zu beachten ist, dass unterschiedliche Prozessoren aus der AVR Familie unterschiedliche Sleep-Modi unterstützen oder nicht unterstützen. Auskunft über die tatsächlichen Gegebenheiten gibt, wie immer, das zum Prozessor gehörende Datenblatt. Die unterschiedlichen Modi unterscheiden sich dadurch, welche Bereiche des Prozessors abgeschaltet werden. Damit korrespondiert unmittelbar welche Möglichkeiten es gibt, den Prozessor aus den jeweiligen Sleep Modus wieder aufzuwecken.

;Idle Mode (SLEEP_MODE_IDLE): Die CPU kann durch SPI, USART, Analog Comperator, ADC, TWI, Timer, Watchdog und irgendeinen anderen Interrupt wieder aufgeweckt werden.

;ADC Noise Reduction Mode (SLEEP_MODE_ADC): In diesem Modus liegt das Hauptaugenmerk darauf, die CPU soweit stillzulegen, dass der ADC möglichst keine Störungen aus dem inneren der CPU auffangen kann. Aufwachen aus diesem Modus kann ausgelöst werden durch den ADC, externe Interrupts, TWI, Timer und Watchdog.

;Power-Down Mode (SLEEP_MODE_PWR_DOWN): In diesem Modus wird ein externer Oszillator (Quarz, Quarzoszillator) gestoppt. Geweckt werden kann die CPU durch einen externen Level Interrupt, TWI, Watchdog, Brown-Out-Reset

;Power-Save-Mode (SLEEP_MODE_PWR_SAVE): Power-Save ist identisch zu Power-Down mit einer Ausnahme: Ist der Timer 2 auf die Verwendung eines externen Taktes konfiguriert, so läuft dieser Timer auch im Power-Save weiter und kann die CPU mit einem Interrupt aufwecken.

;Standby-Mode (SLEEP_MODE_STANDBY, SLEEP_MODE_EXT_STANDBY): Voraussetzung für den Standby-Modus ist die Verwendung eines Quarzes oder eines Quarzoszillators (also einer externen Taktquelle). Ansonsten ist dieser Modus identisch zum Power-Down Modus. Vorteil dieses Modus ist eine kürzere Aufwachzeit.

Siehe auch:
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Power Management and Sleep-Modes
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/96369#832712 Forenbeitrag] zur "Nichtverwendung" von sleep_mode in ISRs.

= Zeiger =
Zeiger (engl. ''Pointer'') sind Variablen, die die Adresse von Daten oder Funktionen enthalten und belegen 16 Bits. Die Größe hängt mit dem adressierbaren Speicherbereich zusammen und der GCC reserviert dann den entsprechenden Platz.
Ggf. ist es also günstiger, Indizes auf Arrays (Listen) zu verwenden, so dass der GCC für die Zeigerarithmetik den erforderlichen RAM nur temporär benötigt.

Siehe auch: [[Zeiger]]

= Speicherzugriffe =

Atmel AVR-Controller verfügen typisch über drei Speicher:

* [[RAM]]: Im RAM (genauer statisches RAM/SRAM) wird vom gcc-Compiler Platz für Variablen reserviert. Auch der Stack befindet sich im RAM. Dieser Speicher ist "flüchtig", d.h. der Inhalt der Variablen geht beim Ausschalten oder einem Zusammenbruch der Spannungsversorgung verloren.

* Programmspeicher: Ausgeführt als FLASH-Speicher, seitenweise wiederbeschreibbar. Darin ist das Anwendungsprogramm abgelegt.

* [[EEPROM]]: Nichtflüchtiger Speicher, d.h. der einmal geschriebene Inhalt bleibt auch ohne Stromversorgung erhalten. Byte-weise schreib/lesbar. Im EEPROM werden typischerweise gerätespezifische Werte wie z. B. Kalibrierungswerte von Sensoren abgelegt.

Einige AVRs besitzen keinen RAM-Speicher, lediglich die Register können als "Arbeitsvariablen"
genutzt werden. Da die Anwendung des avr-gcc auf solch "kleinen" Controllern ohnehin selten sinnvoll ist und auch nur bei einigen RAM-losen Typen nach [http://lightner.net/avr/ATtinyAvrGcc.html "Bastelarbeiten"] möglich ist, werden diese Controller hier nicht weiter berücksichtigt. Auch EEPROM-Speicher ist nicht auf allen Typen verfügbar. Generell sollten die nachfolgenden Erläuterungen auf alle ATmega-Controller und die größeren AT90-Typen übertragbar sein. Für die Typen ATtiny2313, ATtiny26 und viele weitere der "ATtiny-Reihe" gelten die Ausführungen ebenfalls.

Siehe auch:
* [[Binäre Daten zum Programm hinzufügen]]
== RAM ==

Die Verwaltung des RAM-Speichers erfolgt durch den Compiler, im Regelfall ist beim Zugriff auf Variablen im RAM nichts Besonderes zu beachten. Die Erläuterungen in jedem brauchbaren C-Buch gelten auch für den vom avr-gcc-Compiler erzeugten Code.

Um Speicher dynamisch (während der Laufzeit) zu reservieren, kann '''malloc()''' verwendet werden. malloc(size) "alloziert" (~reserviert) einen gewissen Speicherblock mit '''size''' Bytes. Ist kein Platz für den neuen Block, wird NULL (0) zurückgegeben.

Wird der angelegte Block zu klein (groß), kann die Größe mit realloc() verändert werden. Den allozierten Speicherbereich kann man mit free() wieder freigeben. Wenn das Freigeben eines Blocks vergessen wird spricht man von einem "Speicherleck" (memory leak).

malloc() legt Speicherblöcke im '''Heap''' an, belegt man zuviel Platz, dann wächst der Heap zu weit nach oben und überschreibt den Stack, und der Controller kommt in Teufels Küche. Das kann leider nicht nur passieren wenn man insgesamt zu viel Speicher anfordert, sondern auch wenn man Blöcke unterschiedlicher Größe in ungünstiger Reihenfolge alloziert/freigibt (siehe Artikel [[Heap-Fragmentierung]]). Aus diesem Grund sollte man malloc() auf Mikrocontrollern sehr sparsam (am besten gar nicht) verwenden.

Beispiel zur Verwendung von malloc():
<c>
#include <stdlib.h>

void foo(void) {
// neuen speicherbereich anlegen,
// platz für 10 uint16
uint16_t* pBuffer = malloc(10 * sizeof(uint16_t));

// darauf zugreifen, als wärs ein gewohnter Buffer
pBuffer[2] = 5;

// Speicher (unbedingt!) wieder freigeben
free(pBuffer);
}
</c>

Wenn (wie in obigem Beispiel) dynamischer Speicher nur für die Dauer einer Funktion benötigt und am Ende wieder freigegeben wird, bietet es sich an, statt malloc() '''alloca()''' zu verwenden. Der Unterschied zu malloc() ist, dass der Speicher auf dem Stack reserviert wird, und beim Verlassen der Funktion automatisch wieder freigegeben wird. Es kann somit kein Speicherleck und keine Fragmentierung entstehen.

siehe auch:
* http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/malloc.html

== Programmspeicher (Flash) ==

Ein Zugriff auf Konstanten im Programmspeicher ist mittels avr-gcc nicht "transparent" möglich. D.h. es sind besondere Zugriffsfunktionen erforderlich, um Daten aus diesem Speicher zu lesen. Grundsätzlich basieren alle Zugriffsfunktionen auf der Assembler-Anweisung lpm (load program memory, bei AVR Controllern mit mehr als 64kB Flash auch elpm). Die Standard-Laufzeitbibliothek des avr-gcc (die avr-libc) stellt diese Funktionen nach Einbinden der Header-Datei pgmspace.h zur Verfügung. Mit diesen Funktionen können einzelne Bytes, Datenworte (16bit) und Datenblöcke gelesen werden.

Deklarationen von Variablen im Flash-Speicher werden durch das "Attribut" PROGMEM ergänzt. Lokale Variablen (eigentlich Konstanten) innerhalb von Funktionen können ebenfalls im Programmspeicher abgelegt werden. Dazu ist bei der Definition jedoch ein ''static'' voranzustellen, da solche "Variablen" nicht auf dem Stack bzw. (bei Optimierung) in Registern verwaltet werden können. Der Compiler "wirft" eine Warnung falls static fehlt.

<c>
#include <stdint.h>
#include <avr/pgmspace.h>

/* Byte */
const uint8_t pgmFooByte PROGMEM = 123;

/* Wort */
const uint16_t pgmFooWort PROGMEM = 12345;

/* Byte-Array */
const uint8_t pgmFooByteArray1[] PROGMEM = { 18, 3 ,70 };
const uint8_t pgmFooByteArray2[] PROGMEM = { 30, 7 ,79 };

/* Zeiger */
const uint8_t * const pgmPointerToArray1 PROGMEM = pgmFooByteArray1;
const uint8_t * const pgmPointerArray[] PROGMEM = { pgmFooByteArray1, pgmFooByteArray2 };

void foo(void)
{
static const uint8_t pgmTestByteLocal PROGMEM = 0x55;
static const char pgmTestStringLocal[] PROGMEM = "im Flash";
// so nicht (static fehlt)
// char pgmTestStringLocalFalsch [] PROGMEM = "so nicht";
}
</c>

=== Byte lesen ===

Mit der Funktion pgm_read_byte aus pgmspace.h erfolgt der Zugriff auf die Daten. Parameter der Funktion ist die Adresse des Bytes im Flash-Speicher.

<c>
#include <avr/pgmspace.h>

const uint8_t pgmFooByte PROGMEM = 123;
const uint8_t pgmFooByteArray1[] PROGMEM = { 18, 3, 70 };

void foo (void)
// Wert der Ram-Variablen myByte auf den Wert von pgmFooByte setzen:
uint8_t myByte;

myByte = pgm_read_byte (&pgmFooByte);
// myByte hat nun den Wert 123

// Schleife ueber ein Array aus Byte-Werten im Flash
uint8_t i;

for (i = 0; i < 3; i++)
{
myByte = pgm_read_byte (&pgmFooByteArray1[i]);
// mach was mit myByte
}
</c>

=== Wort lesen ===

Für "einfache" 16-Bit breite Variablen erfolgt der Zugriff analog zum Byte-Beispiel, jedoch mit der Funktion <code>pgm_read_word</code>:

<c>
const uint16_t pgmFooWort PROGMEM = 12345;

uint16_t myWord = pgm_read_word (&pgmFooWort);
</c>

Zeiger auf Werte im Flash sind ebenfalls 16 Bits "groß".
Damit ist der mögliche Speicherbereich für "Flash-Konstanten" auf 64kB begrenzt.<ref>Einige avr-libc/pgmspace-Funktionen ermöglichen den Lesezugriff auf den gesamten Flash-Speicher, intern via Assembler Anweisung ELPM. Die Initialisierungswerte des Speicherinhalts jenseits der 64kB-Marke müssen dann jedoch auf anderem Weg angelegt werden, d.h. nicht per PROGMEM; evtl. eigene Section und Linker-Optionen. Alt und nicht ganz korrekt: Die avr-libc pgmspace-Funktionen unterstützen nur die unteren 64kB Flash bei Controllern mit mehr als 64kB.</ref>

<c>
const uint8_t *ptrToArray;

ptrToArray = (const uint8_t*) pgm_read_word (&pgmPointerToArray1);
// ptrToArray enthält nun die Startadresse des Byte-Arrays pgmFooByteArray1
// Allerdings würde ein direkter Zugriff mit diesem Pointer (z. B. temp=*ptrToArray)
// nicht den Inhalt von pgmFooByteArray1[0] liefern, sondern von einer Speicherstelle
// im RAM, die die gleiche Adresse hat wie pgmFooByteArray1[0]
// Daher muss nun die Funktion pgm_read_byte() benutzt werden, die die in ptrToArray
// enthaltene Adresse benutzt und auf das Flash zugreift.

for (i = 0; i < 3; i++)
{
myByte = pgm_read_byte (ptrToArray+i);
// mach was mit myByte... (18, 3, 70)
}

ptrToArray = (const uint8_t*) pgm_read_word (&pgmPointerArray[1]);

// ptrToArray enthält nun die Adresse des ersten Elements des Byte-Arrays pgmFooByteArray2
// da im zweiten Element des Pointer-Arrays pgmPointerArray die Adresse
// von pgmFooByteArray2 abgelegt ist

for (i = 0; i < 3; i++)
{
myByte = pgm_read_byte (ptrToArray+i);
// mach was mit myByte... (30, 7, 79)
}
</c>

=== Block lesen ===
In den Standard-Flash Funktionen ist keine der pgm_read_xxxx Nomenklatur folgenden Funktion enthalten, die einen kompletten Block ausliest. Die enstprechende Funktion ist eine Variante von memcpy und heißt memcpy_P().

Was diese Funktion im Prinzip macht, ist einfach in einer Schleife pgm_read_byte zu benutzen, um einen Speicherblock von der Quelladresse im Flash an eine Zieladresse im SRAM zu kopieren.

<c>
void pgm_read_block( uint8_t* pTarget, const uint8_t* pSource, size_t len )
{
size_t i;

for( i = 0; i < len; ++i )
*pTarget++ = pgm_read_byte( pSource++ );
}
</c>

Damit ist es dann natürlich kein Problem mehr ganze Arrays oder Strukturen aus dem Flash in das SRAM zu übertragen.

=== Strings lesen ===
Strings sind in C nichts anderes als eine Abfolge von Zeichen. Der prinzipielle Weg ist daher identisch zu "Bytes lesen", wobei allerdings auf die [http://www.mikrocontroller.net/articles/FAQ#Wie_funktioniert_String-Verarbeitung_in_C.3F Besonderheiten von Strings] wie 0-Terminierung geachtet werden muss, bzw. diese zur Steuerung einer Schleife über die Zeichen im String ausgenutzt werden kann

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/pgmspace.h>

const char pgmString[] PROGMEM = "Hello world";

int main()
{
char c;
const char* addr;

addr = pgmString;
while (c = pgm_read_byte (addr++), c != '\0')
{
// mach was mit c
}
}
</c>

Zur Unterstützung des Programmierers steht das Repertoir der str-Funktionen auch in jeweils eine Variante zur Verfügung, die mit dem Flash-Speicher arbeiten kann. Die Funktionsnamen tragen den Suffix <tt>_P</tt>.

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/pgmspace.h>

const char pgmString[] PROGMEM = "Hallo world";

void foo (void)
{
char string[40];

strcpy_P (string, pgmString);
}
</c>

=== Float lesen ===

Auch um floats zu lesen gibt es ein Makro:

<c>
float pgmFloatArray[3] PROGMEM = {1.1, 2.2, 3.3};

void read_float (void)
{
int i;
float f;

for (i=0; i<3; i++)
{
// entspricht f = pgmFloatArray[i];
f = pgm_read_float (&pgmFloatArray[i]);
// mach was mit f
}
}
</c>

TODO: Beispiele für structs und pointer aus Flash auf struct im Flash (menues, state-machines etc.). Eine kleine Einleitung insbesondere auch in Bezug auf die auftretenden Schwierigkeiten liefert [http://www.mail-archive.com/avr-gcc-list@nongnu.org/msg05652.html].

=== Array aus Strings im Flash-Speicher ===

Arrays aus Strings im Flash-Speicher werden in zwei Schritten angelegt: Zuerst die einzelnen Elemente des Arrays und im Anschluss ein Array, in dem die Startaddressen der Strings abgelegt werden. Zum Auslesen wird zuerst die Adresse des i-ten Elements aus dem Array im Flash-Speicher gelesen, die im Anschluss dazu genutzt wird, auf das Element (den String) selbst zuzugreifen.

<c>
#include <stdint.h>
#include <avr/pgmspace.h>

const char str1[] PROGMEM = "first_A";
const char str2[] PROGMEM = "second_A";
const char str3[] PROGMEM = "third_A";

const char * const strarray1[] PROGMEM =
{
str1,
str2,
str3
};

static char work[20];

void read_strings (void)
{
size_t i;

for (i = 0; i < sizeof (strarray1) / sizeof (strarray1[0]); i++)
{
size_t j, len;

// setze Pointer auf die Addresse des i-ten Elements des
// Flash-Arrays (str1, str2, ...)
const char *pstrflash = (const char*) pgm_read_word (&strarray1[i]);

// kopiere den Inhalt der Zeichenkette von der
// in pstrflash abgelegten Adresse in das work-Array
// analog zu strcpy( work, strarray1[i]) wenn alles im RAM
strcpy_P (work, pstrflash);

// Gleichbedeutend damit:
strcpy_P (work, (const char*) pgm_read_word (&strarray1[i]));

// Zeichen-fuer-Zeichen
len = strlen_P (&strarray1[i]);

// <= da auch das Stringende-Zeichen kopiert werden soll
for (j = 0; j <= len; j++)
{
// analog zu work[j] = strarray[i][j] wenn alles im RAM
work[i] = (char) pgm_read_byte (pstrflash++);
}
}
}
</c>

Siehe dazu auch die avr-libc FAQ: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/FAQ.html#faq_rom_array How do I put an array of strings completely in ROM?]

=== Vereinfachung für Zeichenketten (Strings) im Flash ===

Zeichenketten können innerhalb des Quellcodes als "Flash-Konstanten" ausgewiesen werden. Dazu dient das Makro PSTR aus pgmspace.h. Dies erspart die getrennte Deklaration mit PROGMEM-Attribut.

<c>
#include <string.h>
#include <avr/pgmspace.h>

#define MAXLEN 30

char StringImFlash[] PROGMEM = "Erwin Lindemann";
char StringImRam[MAXLEN];

void read_string (void)
{
strcpy (StringImRam, "Mueller-Luedenscheidt");

if (!strncmp_P (StringImRam, StringImFlash, 5))
{
// mach was, wenn die ersten 5 Zeichen identisch - hier nicht
}
else
{
// der Code hier wuerde ausgefuehrt
}

if (!strncmp_P (StringImRam, PSTR("Mueller-Schmitt"), 5))
{
// der Code hier wird ausgefuehrt, wenn die ersten
// 5 Zeichen uebereinstimmen
}
else
{
// wird bei Nicht-Uebereinstimmung ausgefuehrt
}
}
</c>

Aber Vorsicht: Ersetzt man zum Beispiel
<c>
// Daten im "Flash"
const char flashText[] PROGMEM = "mit[]";
</c>
durch
<c>
// Hier wird "mit*" im RAM angelegt und flashPointer
// enthaelt die Adresse
const char* const flashPointer PROGMEM = "mit*";
</c>
dann kann es zu Problemen kommen.

Übergibt man Zeichenketten, die im Flash abglegt sind an eine Funktion – also die Adresse des ersten Zeichens – so muss die Funktion entsprechend programmiert sein. Die Funktion selbst hat keine Möglichkeit zu unterscheiden, ob es sich um eine Flash-Adresse oder ein RAM-Adresse handelt. Die avr-libc und viele andere avr-gcc-Bibliotheken halten sich an die Konvention, dass Namen von Funktionen, die Flash-Adressen erwarten, mit dem Suffix <code>_P</code> versehen sind.

Eine Funktion, die einen im Flash abgelegten String z. B. an eine UART ausgibt, würde dann so aussehen:

<c>
void uart_puts_p (const char *text)
{
char zeichen;

while ((zeichen = pgm_read_byte (text)))
{
// so lange, wie mittels pgm_read_byte nicht das Stringende
// gelesen wurde: gib dieses Zeichen aus

uart_putc (Zeichen);
text++;
}
}
</c>

Von einigen Bibliotheken werden Makros definiert, die "automatisch" ein PSTR bei Verwendung einer Funktion einfügen. Ein Blick in den Header-File der Bibliothek zeigt, ob dies der Fall ist. Ein Beispiel aus P. Fleurys lcd-Library:

<c>
// Ausschnitt aus dem Header-File lcd.h der "Fleury-LCD-Lib."
extern void lcd_puts_p (const char *progmem_s);
#define lcd_puts_P(__s) lcd_puts_p(PSTR(__s))

// in einer Anwendung
#include <avr/pgmspace.h>
#include <string.h>
#include "lcd.h"

const char StringImFlash[] PROGMEM = "Erwin Lindemann";

void my_write (coid)
{
lcd_puts_p (StringImFlash);
lcd_puts_P ("Dr. Kloebner");
}</c>

=== Flash in der Anwendung schreiben ===

Bei AVRs mit "self-programming"-Option – auch bekannt als [[Bootloader]]-Support – können Teile des Flash-Speichers vom Anwendungsprogramm beschrieben werden. Dies ist nur möglich, wenn die Schreibfunktion in einem besonderen Speicherbereich, der boot-section des Programmspeichers/Flash, abgelegt ist.

Bei einigen kleinen AVRs gibt es keine gesonderte Boot-Section, bei diesen kann der Flashspeicher von jeder Stelle des Programms geschrieben werden. Für Details sei hier auf das jeweilige Controller-Datenblatt und die Erläuterungen zum Modul boot.h der avr-libc verwiesen. Es existieren auch Application-Notes dazu bei atmel.com, die auf avr-gcc-Code übertragbar sind.

Siehe auch:
* Forumsbeitrag [http://www.mikrocontroller.net/topic/163632#1561622 Daten in Programmspeicher speichern]

=== Warum so kompliziert? ===

Zu dem Thema, warum die Verabeitung von Werten aus dem Flash-Speicher so kompliziert ist, sei hier nur kurz erläutert: Die Harvard-Architektur des AVR weist getrennte Adressräume für Programm(Flash)- und Datenspeicher(RAM) auf. Der C-Standard und der gcc-Compiler sehen keine unterschiedlichen Adressräume vor.

Hat man zum Beispiel eine Funktion string_an_uart(const char* s) und übergibt an diese Funktion die Adresse einer Zeichenkette, z. B. 0x01fe, weiß die Funktion nicht, ob die Adresse auf den Flash-Speicher oder den/das RAM zeigt. Allein aus dem Pointer-Wert, also dem Zahlenwert, kann nicht auf den Ort der Ablage geschlossen werden.

Einige AVR-Compiler bilden die Harvard-Architektur ab, indem sie in einen Pointer nicht nur die Adresse speichern, sondern auch den Ablageort wie ''Flash'' oder ''RAM''. In einem Aufruf einer Funktion wird dann bei Pointer-Parametern neben der Adresse auch der Speicherbereich, auf den der Pointer zeigt, übergeben. Dies hat jedoch auch Nachteile, denn bei jedem Zugriff über einen Zeiger muss zur ''Laufzeit'' entschieden werden, wie der Zugriff auszuführen ist und entsprechend länglicher und langsamer kann Code ausgeführt werden.

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitte Modules/Program Space String Utilities und Abschnitt Modules/Bootloader Support Utilities

== EEPROM ==

Man beachte, dass der EEPROM-Speicher nur eine begrenzte Anzahl von Schreibzugriffen zulässt. Beschreibt man eine EEPROM-Zelle öfter als die im Datenblatt zugesicherte Anzahl (typisch 100.000), wird die Funktion der Zelle nicht mehr garantiert.
Dies gilt für jede einzelne Zelle. Bei geschickter Programmierung (z. B. Ring-Puffer), bei der die zu beschreibenden Zellen regelmäßig gewechselt werden, kann man eine deutlich höhere Anzahl an Schreibzugriffen, bezogen auf den Gesamtspeicher, erreichen.

Schreib- und Lesezugriffe auf den EEPROM-Speicher erfolgen über die im Modul eeprom.h definierten Funktionen. Mit diesen Funktionen können einzelne Bytes, Datenworte (16bit) und Datenblöcke geschrieben und gelesen werden.

Bei Nutzung des EEPROMs ist zu beachten, dass vor dem Zugriff auf diesen Speicher abgefragt wird, ob der Controller die vorherige EEPROM-Operation abgeschlossen hat. Die avr-libc-Funktionen beinhalten diese Prüfung, man muss sie nicht selbst implementieren. Man sollte auch verhindern, dass der Zugriff durch die Abarbeitung einer Interrupt-Routine unterbrochen wird, da bestimme Befehlsabfolgen vorgegeben sind, die innerhalb weniger Taktzyklen aufeinanderfolgen müssen ("timed sequence"). Auch dies muss bei Nutzung der Funktionen aus der avr-libc/eeprom.h-Datei nicht selbst implementiert werden. Innerhalb der Funktionen werden Interrupts vor der "EEPROM-Sequenz" global deaktiviert und im Anschluss, falls vorher auch schon eingeschaltet, wieder aktiviert.

Um eine Variable im EEPROM anzulegen, stellt die avr-libc das Makro EEMEM zur Verfügung<ref>In älteren Versionen der avr-libc ist EEMEM noch nicht vorhanden, und man kann sich folgendermassen behelfen:
<c>
#include <avr/eeprom.h>

#ifndef EEMEM
#define EEMEM __attribute__((section (".eeprom")))
#endif
</c></ref>, das analog zu PROGMEM verwendet wird.

<c>
#include <stdint.h>
#include <avr/eeprom.h>

/* Byte */
uint8_t eeFooByte EEMEM = 123;

/* Wort */
uint16_t eeFooWord EEMEM = 12345;

/* float */
float eeFooFloat EEMEM;

/* Byte-Array */
uint8_t eeFooByteArray1[] EEMEM = { 18, 3, 70 };
uint8_t eeFooByteArray2[] EEMEM = { 30, 7, 79 };

/* 16-bit unsigned short feld */
uint16_t eeFooWordArray1[4] EEMEM;
</c>

=== Bytes lesen/schreiben ===

Die avr-libc Funktion zum Lesen eines Bytes heißt eeprom_read_byte. Parameter ist die Adresse des Bytes im EEPROM. Geschrieben wird über die Funktion eeprom_write_byte mit den Parametern Adresse und Inhalt. Anwendungsbeispiel:

<c>
#define EEPROM_DEF 0xFF

void eeprom_example (void)
{
uint8_t myByte;

// myByte lesen (Wert = 123)
myByte = eeprom_read_byte (&eeFooByte);

// der Wert 99 wird im EEPROM an die Adresse der
// Variablen eeFooByte geschrieben
myByte = 99;
eeprom_write_byte(&eeFooByte, myByte); // schreiben

myByte = eeprom_read_byte (&eeFooByteArray1[1]);
// myByte hat nun den Wert 3

// Beispiel zur "Sicherung" gegen leeres EEPROM nach "Chip Erase"
// (z. B. wenn die .eep-Datei nach Programmierung einer neuen Version
// des Programms nicht in den EEPROM uebertragen wurde und EESAVE
// deaktiviert ist (unprogrammed/1)
//
// Vorsicht: wenn EESAVE "programmed" ist, hilft diese Sicherung nicht
// weiter, da die Speicheraddressen in einem neuen/erweiterten Programm
// moeglicherweise verschoben wurden. An der Stelle &eeFooByte steht
// dann u.U. der Wert einer anderen Variable aus einer "alten" Version.

uint8_t fooByteDefault = 222;
if ((myByte = eeprom_read_byte (&eeFooByte)) == EEPROM_DEF)
{
myByte = fooByteDefault;
}
}
</c>

=== Wort lesen/schreiben ===

Schreiben und Lesen von Datenworten erfolgt analog zur Vorgehensweise bei Bytes:

<c>
// lesen
uint16_t myWord = eeprom_read_word (&eeFooWord);

// schreiben
eeprom_write_word (&eeFooWord, 2222);
</c>

=== Block lesen/schreiben ===

Lesen und Schreiben von Datenblöcken erfolgt über die Funktionen <code>eeprom_read_block()</code> bzw. <code>eeprom_write_block()</code>. Die Funktionen erwarten drei Parameter: die Adresse der Quell- bzw. Zieldaten im RAM, die EEPROM-Addresse und die Länge des Datenblocks in Bytes als <code>size_t</code>.
<c>
uint8_t myByteBuffer[3];
uint16_t myWordBuffer[4];

void eeprom_block_example (void)
{
/* Datenblock aus EEPROM lesen */

/* liest 3 Bytes ab der von eeFooByteArray1 definierten EEPROM-Adresse
in das RAM-Array myByteBuffer */
eeprom_read_block (myByteBuffer, eeFooByteArray1, 3);

/* dito mit etwas Absicherung betr. der Länge */
eeprom_read_block (myByteBuffer, eeFooByteArray1, sizeof(myByteBuffer));

/* und nun mit 16-Bit Array */
eeprom_read_block (myWordBuffer, eeFooWordArray1, sizeof(myWordBuffer));

/* Datenblock in EEPROM schreiben */
eeprom_write_block (myByteBuffer, eeFooByteArray1, sizeof(myByteBuffer));
eeprom_write_block (myWordBuffer, eeFooWordArray1, sizeof(myWordBuffer));
}
</c>

Ebenso lassen sich float-Variablen lesen und schreiben:

<c>
#include <avr/eeprom.h>

float eeFloat EEMEM = 12.34f;

float void eeprom_float_example (float value)
{
/* float in EEPROM schreiben */
eeprom_write_float (&eeFloat, value);

/* float aus EEPROM lesen */
return eeprom_read_float (&eeFloat);
}</c>

=== EEPROM-Speicherabbild in .eep-Datei ===

Mit den zum Compiler gehörenden Werkzeugen kann der aus den Variablendeklarationen abgeleitete EEPROM-Inhalt in eine Datei geschrieben werden. Die übliche Dateiendung ist .eep, Daten im Intel Hex-Format. Damit können Standardwerte für den EEPROM-Inhalt im Quellcode definiert werden.

Makefiles nach WinAVR/MFile-Vorlage enthalten bereits die notwendigen Einstellungen, siehe dazu die Erläuterungen im [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs Makefiles|Exkurs Makefiles]].

Der Inhalt der eep-Datei muss ebenfalls zum Mikrocontroller übertragen werden, wenn die Initialisierungswerte aus der Deklaration vom Programm erwartet werden. Ansonsten enthält der EEPROM-Speicher nach der Übertragung des Programmers mittels ISP abhängig von der Einstellung der EESAVE-Fuse<ref>vgl. Datenblatt Abschnitt Fuse Bits</ref> nicht die korrekten Werte:
; EESAVE = 0 (programmed): Die Daten im EEPROM bleiben erhalten. Werden sie nicht neu geschrieben, so enthält das EEPROM evtl. Daten, die nicht mehr zum Programm passen.
; EESAVE = 1 (unprogrammed): Beim Programmieren werden die Daten im EEPROM gelöscht, also auf 0xff gesetzt.

Als Sicherung kann man im Programm nochmals die Standardwerte vorhalten, beim Lesen auf 0xFF prüfen und gegebenenfalls einen Standardwert nutzen.

=== Direkter Zugriff auf EEPROM-Adressen ===

Will man direkt auf bestimmte EEPROM Adressen zugreifen, dann sind folgende Funktionen hilfreich, um sich die Typecasts zu ersparen:

<c>
#include <avr/eeprom.h>

// Byte aus dem EEPROM lesen
uint8_t EEPReadByte(uint16_t addr)
{
return eeprom_read_byte((uint8_t *)addr);
}

// Byte in das EEPROM schreiben
void EEPWriteByte(uint16_t addr, uint8_t val)
{
eeprom_write_byte((uint8_t *)addr, val);
}
</c>

oder als Makro:

<c>
#define EEPReadByte(addr) eeprom_read_byte((uint8_t *)addr)
#define EEPWriteByte(addr, val) eeprom_write_byte((uint8_t *)addr, val)
</c>

Verwendung:

<c>
EEPWriteByte(0x20, 128); // Byte an die Adresse 0x20 schreiben
...
Val=EEPReadByte(0x20); // EEPROM-Wert von Adresse 0x20 lesen
</c>

=== Bekannte Probleme bei den EEPROM-Funktionen ===

Vorsicht: Bei alten Versionen der avr-libc wurden nicht alle AVR Controller unterstützt. Z.B. bei der avr-libc Version 1.2.3 insbesondere bei AVRs "der neuen Generation" (ATmega48/88/168/169) funktionieren die Funktionen nicht korrekt (Ursache: unterschiedliche Speicheradressen der EEPROM-Register). In neueren Versionen (z. B. avr-libc 1.4.3 aus WinAVR 20050125) wurde die Zahl der unterstüzten Controller deutlich erweitert und eine Methode zur leichten Anpassung an zukünftige Controller eingeführt.

In jedem Datenblatt zu AVR-Controllern mit EEPROM sind kurze Beispielecodes für den Schreib- und Lesezugriff enthalten. Will oder kann man nicht auf die neue Version aktualisieren, kann der dort gezeigte Code auch mit dem avr-gcc (ohne avr-libc/eeprom.h) genutzt werden ("copy/paste", gegebenfalls Schutz vor Unterbrechnung/Interrupt ergänzen ''uint8_t sreg; sreg=SREG; cli(); [EEPROM-Code] ; SREG=sreg; return;'', siehe Abschnitt Interrupts). Im Zweifel hilft ein Blick in den vom Compiler erzeugten Assembler-Code (lst/lss-Dateien).

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/EEPROM handling

=== EEPROM Register ===
Um das EEPROM anzusteuern, sind drei Register von Bedeutung:
;EEAR: Hier werden die Adressen eingetragen zum Schreiben oder Lesen. Dieses Register unterteilt sich nochmal in EEARH und EEARL, da in einem 8-Bit-Register keine 512 Adressen adressiert werden können.
;EEDR: Hier werden die Daten eingetragen, die geschrieben werden sollen, bzw. es enthält die gelesenen Daten.
;EECR: Ist das Kontrollregister für das EEPROM

Das EECR steuert den Zugriff auf das EEPROM und ist wie folgt aufgebaut:

:{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''Aufbau des EECR-Registers'''
|-
!Bit
| 7 || 6 || 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| - || - || - ||- || EERIE || EEMWE || EEWE || EERE
|-
! Read/Write
| R || R || R || R || R/W || R/W || R/W || R/W
|-
!Init Value
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0
|}

'''Bedeutung der Bits'''

;Bit 4-7: nicht belegt

;Bit 3 (EERIE): ''EEPROM Ready Interrupt Enable'': Wenn das Bit gesetzt ist und globale Interrupts erlaubt sind in Register SREG (Bit 7), wird ein Interrupt ausgelöst nach Beendigung des Schreibzyklus (EEPROM Ready Interrupt). Ist einer der beiden Bits 0, wird kein Interrupt ausgelöst.

;Bit 2 EEMWE): ''EEPROM Master Write Enable'': Dieses Bit bestimmt, dass, wenn EEWE = 1 gesetzt wird (innerhalb von 4 Taktzyklen), das EEPROM beschrieben wird mit den Daten in EEDR bei Adresse EEAR. Wenn EEMWE = 0 ist und EEWE = 1 gesetzt wird, hat das keine Auswirkungen. Der Schreibvorgang wird dann nicht ausgelöst. Nach 4 Taktzyklen wird das Bit EEMWE automatisch wieder auf 0 gesetzt. Dieses Bit löst den Schreibvorgang nicht aus, es dient sozusagen als Sicherungsbit für EEWE.

;Bit 1 (EEWE): ''EEPROM Write Enable'': Dieses Bit löst den Schreibvorgang aus, wenn es auf 1 gesetzt wird, sofern vorher EEMWE gesetzt wurde und seitdem nicht mehr als 4 Taktzyklen vergangen sind. Wenn der Schreibvorgang abgeschlossen ist, wird dieses Bit automatisch wieder auf 0 gesetzt und, sofern EERIE gesetzt ist, ein Interrupt ausgelöst. Ein Schreibvorgang sieht typischerweise wie folgt aus:
:# EEPROM-Bereitschaft abwarten (EEWE=0)
:# Adresse übergeben an EEAR
:# Daten übergeben an EEDR
:# Schreibvorgang auslösen in EECR mit Bit EEMWE=1 und EEWE=1
:# (Optional) Warten, bis Schreibvorgang abgeschlossen ist

;Bit 0 EERE: ''EEPROM Read Enable'': Wird dieses Bit auf 1 gesetzt wird das EEPROM an der Adresse in EEAR ausgelesen und die Daten in EEDR gespeichert. Das EEPROM kann nicht ausgelesen werden, wenn bereits eine Schreiboperation gestartet wurde. Es ist daher zu empfehlen, die Bereitschaft vorher zu prüfen. Das EEPROM ist lesebereit, wenn das Bit EEWE=0 ist. Ist der Lesevorgang abgeschlossen, wird das Bit wieder auf 0 gesetzt, und das EEPROM ist für neue Lese- und Schreibbefehle wieder bereit. Ein typischer Lesevorgang kann wie folgt aufgebaut sein:
:# Bereitschaft zum Lesen prüfen (EEWE=0)
:# Adresse übergeben an EEAR
:# Lesezyklus auslösen mit EERE = 1
:# Warten, bis Lesevorgang abgeschlossen EERE = 0
:# Daten abholen aus EEDR

= Die Nutzung von sprintf und printf =

Um komfortabel, d.h. formatiert, Ausgaben auf ein Display oder die serielle Schnittstelle zu tätigen, bieten sich '''sprintf''' oder '''printf''' an. Alle *printf-Varianten sind jedoch ziemlich speicherintensiv und der Einsatz in einem Mikrocontroller mit knappem Speicher muss sorgsam abgewogen werden.

Bei '''sprintf''' wird die Ausgabe zunächst in einem Puffer vorbereitet und anschließend mit einfachen Funktionen zeichenweise ausgegeben. Es liegt in der Verantwortung des Programmierers, genügend Platz im Puffer für die erwarteten Zeichen bereitzuhalten.

<c>
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

// ...
// nicht dargestellt: Implementierung von uart_puts (vgl. Abschnitt UART)
// ...

uint16_t counter;

// Ausgabe eines unsigned Integerwertes
void uart_puti( uint16_t value )
{
uint8_t puffer[20];

sprintf( puffer, "Zählerstand: %u", value );
uart_puts( puffer );
}

int main()
{
counter = 5;

uart_puti( counter );
uart_puti( 42 );
}
</c>

Eine weitere elegante Möglichkeit besteht darin, den STREAM stdout (Standardausgabe) auf eine eigene Ausgabefunktion umzuleiten. Dazu wird dem Ausgabemechanismus der C-Bibliothek eine neue Ausgabefunktion bekannt gemacht, deren Aufgabe es ist, ein einzelnes Zeichen auszugeben. Wohin die Ausgabe dann tatsächlich stattfindet, ist Sache der Ausgabefunktion. Im Beispiel unten wird auf UART ausgegeben. Alle anderen, höheren Funktionen wie z. B. '''printf''', greifen letztendlich auf diese primitive Ausgabefunktion zurück.

<c>
#include <avr/io.h>
#include <stdio.h>

void uart_init(void);

// a. Deklaration der primitiven Ausgabefunktion
int uart_putchar(char c, FILE *stream);

// b. Umleiten der Standardausgabe stdout (Teil 1)
static FILE mystdout = FDEV_SETUP_STREAM( uart_putchar, NULL, _FDEV_SETUP_WRITE );

// c. Definition der Ausgabefunktion
int uart_putchar( char c, FILE *stream )
{
if( c == '\n' )
uart_putchar( '\r', stream );

loop_until_bit_is_set( UCSRA, UDRE );
UDR = c;
return 0;
}

void uart_init(void)
{
/* hier µC spezifischen Code zur Initialisierung */
/* des UART einfügen... s.o. im AVR-GCC-Tutorial */

// Beispiel:
//
// myAVR Board 1.5 mit externem Quarz Q1 3,6864 MHz
// 9600 Baud 8N1

#ifndef F_CPU
#define F_CPU 3686400
#endif
#define UART_BAUD_RATE 9600

// Hilfsmakro zur UBRR-Berechnung ("Formel" laut Datenblatt)
#define UART_UBRR_CALC(BAUD_,FREQ_) ((FREQ_)/((BAUD_)*16L)-1)

UCSRB |= (1<<TXEN) | (1<<RXEN); // UART TX und RX einschalten
UCSRC |= (1<<URSEL)|(3<<UCSZ0); // Asynchron 8N1

UBRRH = (uint8_t)( UART_UBRR_CALC( UART_BAUD_RATE, F_CPU ) >> 8 );
UBRRL = (uint8_t)UART_UBRR_CALC( UART_BAUD_RATE, F_CPU );
}

int main(void)
{
int16_t antwort = 42;
uart_init();

// b. Umleiten der Standardausgabe stdout (Teil 2)
stdout = &mystdout;

// Anwendung
printf( "Die Antwort ist %d.\n", antwort );
return 0;
}

// Quelle: avr-libc-user-manual-1.4.3.pdf, S.74
// + Ergänzungen
</c>

Sollen Fließkommazahlen ausgegeben werden, muss im Makefile eine andere (größere) Version der [[FAQ#Aktivieren_der_Floating_Point_Version_von_sprintf_beim_WinAVR_mit_AVR-Studio|printflib]] eingebunden werden.

= Anhang =

== Externe Referenzspannung des internen Analog-Digital-Wandlers ==

Die minimale (externe) Referenzspannung des ADC darf nicht beliebig niedrig sein, vgl. dazu das (aktuellste) Datenblatt des verwendeten Controllers. z. B. beim ATMEGA8 darf sie laut Datenblatt (S.245, Tabelle 103, Zeile "VREF") 2,0V nicht unterschreiten. HINWEIS: diese Information findet sich erst in der letzten Revision (Rev. 2486O-10/04) des Datenblatts.

Meiner  eigenen Erfahrung nach kann man aber (auf eigene Gefahr und natürlich nicht für Seriengeräte) durchaus noch ein klein wenig weiter heruntergehen, bei dem von mir unter die Lupe genommenen ATMEGA8L (also die Low-Voltage-Variante) funktioniert der ADC bei 5V Betriebsspannung mit bis zu VREF=1,15V hinunter korrekt, ab 1,1V und darunter digitalisiert er jedoch nur noch Blödsinn). Ich würde sicherheitshalber nicht unter 1,5V gehen und bei niedrigeren Betriebsspannungen mag sich die Untergrenze für VREF am Pin AREF ggf. nach oben'''(!)''' verschieben.

In der letzten Revision des Datenblatts ist außerdem korrigiert, dass ADC4 und ADC5 sehr wohl 10 Bit Genauigkeit bieten (und nicht bloß 8 Bit, wie in älteren Revisionen irrtümlich angegeben.)

= Anmerkungen =
<references/>

= TODO =
* Aktualisierung Register- und Bitbeschreibungen an aktuelle AVR
* stdio.h, malloc()
* "naked"-Funktionen
* Übersicht zu den C bzw. GCC-predefined Makros (__DATE__, __TIME__,...)
* Bootloader => erl. [[AVR Bootloader in C - eine einfache Anleitung]]
* [http://myweb.msoe.edu/~barnicks/courses/CE-2800/documents/Mixing%20C%20and%20assembly%20language%20programs.pdf Mixing C and assembly language programs] Copyright © 2007 William Barnekow (PDF).

[[Kategorie:avr-gcc Tutorial| ]]

AVR-GCC-Tutorial

2011-10-09T05:47:12Z

Mfgkw: /* Anmerkungen */

= Voraussetzungen =

Vorausgesetzt werden Grundkenntnisse der Progammiersprache C. Diese Kenntnisse kann man sich online erarbeiten, z. B. mit dem [http://www.schellong.de/c.htm C Tutorial von Helmut Schellong] ([[C|Liste von C-Tutorials]]). Nicht erforderlich sind Vorkenntnisse in der Programmierung von Mikrocontrollern, weder in Assembler noch in einer anderen Sprache.

= Vorwort =

Dieses Tutorial soll den Einstieg in die Programmierung von Atmel [[AVR]]-Mikrocontrollern in der Programmiersprache [[C]] mit dem freien C-Compiler [[AVR-GCC]] aus der [http://gcc.gnu.org/ GNU Compiler Collection] erleichtern.

In diesem Text wird häufig auf die Standardbibliothek avr-libc verwiesen, für die es eine [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Online-Dokumentation] gibt, in der sich auch viele nützliche Informationen zum Compiler und zur Programmierung von AVR Controllern finden (beim Packet WinAVR gehört die avr-libc Dokumentation zum Lieferumfang und wird mitinstalliert).

Der Compiler und die Standardbibliothek avr-libc werden stetig weiterentwickelt. Einige Unterschiede, die sich im Verlauf der Entwicklung ergeben haben, werden im Haupttext und Anhang zwar erläutert, Anfängern sei jedoch empfohlen, die aktuellen Versionen zu nutzen (für MS-Windows: aktuelle Version des [[WinAVR]]-Pakets; für Linux: siehe Artikel [[AVR und Linux]]).

Das ursprüngliche Tutorial stammt von Christian Schifferle, viele neue Abschnitte und aktuelle Anpassungen von Martin Thomas.

Dieses Tutorial ist in PDF-Form hier erhältlich (nicht immer auf aktuellem Stand):
[[Media:AVR-GCC-Tutorial.pdf]]

== Weiterführende Kapitel ==

Um dieses riesige Tutorial etwas überschaubarer zu gestalten, wurden einige Kapitel ausgelagert, die nicht unmittelbar mit den Grundlagen von avr-gcc in Verbindung stehen. All diese Seiten gehören zur [[:Kategorie:avr-gcc Tutorial]].
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Der UART|Der UART]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Der Watchdog|Der Watchdog]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Die Timer und Zähler des AVR|Die Timer und Zähler des AVR]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs Makefiles|Exkurs Makefiles]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/LCD-Ansteuerung|LCD-Ansteuerung]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Alte Quellen|Alte Quellen anpassen]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Assembler und Inline-Assembler|Assembler und Inline-Assembler]]

= Benötigte Werkzeuge =

Um eigene Programme für AVRs mittels avr-gcc/avr-libc zu erstellen und zu testen, wird folgende Hard- und Software benötigt:

* Platine oder Versuchsaufbau für die Aufnahme eines AVR Controllers, der vom avr-gcc Compiler unterstützt wird (alle ATmegas und die meisten AT90, siehe Dokumentation der avr-libc für unterstützte Typen). Dieses Testboard kann durchaus auch selbst gelötet oder auf einem Steckbrett aufgebaut werden. Einige Registerbeschreibungen dieses Tutorials beziehen sich auf den inzwischen veralteten AT90S2313. Der weitaus größte Teil des Textes ist aber für alle Controller der AVR-Familie gültig. Brauchbare Testplattformen sind auch das [[STK500]] und der [[AVR Butterfly]] von Atmel. Weitere Infos findet man in den Artikeln [[AVR#Starterkits|AVR Starterkits]] und [[AVR-Tutorial: Equipment]].

* Der avr-gcc Compiler und die avr-libc. Kostenlos erhältlich für nahezu alle Plattformen und Betriebssysteme. Für MS-Windows im Paket [[WinAVR]]; für Unix/Linux siehe auch Hinweise im Artikel [[AVR-GCC]] und im Artikel [[AVR und Linux]].

* Programmiersoftware und -[[AVR In System Programmer |hardware]] z. B. PonyProg (siehe auch: [[Pony-Prog Tutorial]]) oder [[AVRDUDE]] mit [[STK200]]-Dongle oder die von Atmel verfügbare Hard- und Software ([[STK500]], Atmel AVRISP, [[AVR-Studio]]).

* Nicht unbedingt erforderlich, aber zur Simulation und zum Debuggen unter MS-Windows recht nützlich: [[AVR-Studio]] (siehe Artikel [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs_Makefiles|Exkurs: Makefiles]]).

* Wer unter Windows und Linux gleichermassen entwickeln will, der sollte sich die [http://www.eclipse.org/ IDE Eclipse for C/C++ Developers] und das [http://avr-eclipse.sourceforge.net/wiki/index.php/The_AVR_Eclipse_Plugin AVR-Eclipse Plugin ] ansehen, beide sind unter Windows und Linux einfach zu installieren. Hier gibt es auch einen [[AVR_Eclipse|Artikel AVR Eclipse]] in dieser Wiki. Ebenfalls unter Linux und Windows verfügbar ist die Entwicklungsumgebung [http://www.codeblocks.org/ Code::Blocks] (aktuelle, stabile Versionen sind als Nightly Builds regelmäßig im [http://forums.codeblocks.org/ Forum] verfügbar). Innerhalb dieser Entwicklungsumgebung können ohne die Installation zusätzlicher Plugins "AVR-Projekte" angelegt werden. Für Linux gibt es auch noch das [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=25220&postdays=0&postorder=asc&start=0 KontrollerLab].

= Was tun, wenn's nicht "klappt"? =

* Herausfinden, ob es tatsächlich ein avr(-gcc) spezifisches Problem ist oder nur die eigenen C-Kenntnisse einer Auffrischung bedürfen. Allgemeine C-Fragen kann man eventuell "beim freundlichen Programmierer zwei Büro-, Zimmer- oder Haustüren weiter" loswerden. Ansonsten: [[C]]-Buch (gibt's auch "gratis" online) lesen.

* Die [[AVR Checkliste]] durcharbeiten.

* Die '''[http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc]''' lesen, vor allem (aber nicht nur) den Abschnitt Related Pages/'''Frequently Asked Questions''' = Oft gestellte Fragen (und Antworten dazu). Z.Zt leider nur in englischer Sprache verfügbar.

* Den Artikel [[AVR-GCC]] in diesem Wiki lesen.

* Das [http://www.mikrocontroller.net/forum/gcc GCC-Forum auf www.mikrocontroller.net] nach vergleichbaren Problemen absuchen.

* Das avr-gcc-Forum bei [http://www.avrfreaks.net AVRfreaks] nach vergleichbaren Problemen absuchen.

* Das [http://lists.gnu.org/archive/html/avr-gcc-list/ Archiv der avr-gcc Mailing-Liste] nach vergleichbaren Problemen absuchen.

* Nach Beispielcode suchen. Vor allem im ''Projects''-Bereich von [http://www.avrfreaks.net AVRfreaks] (anmelden).

* Google oder yahoo befragen schadet nie.

* Bei Problemen mit der Ansteuerung interner AVR-Funktionen mit C-Code: das Datenblatt des Controllers lesen (ganz und am Besten zweimal). Datenblätter sind auf den [http://www.atmel.com Atmel Webseiten] als pdf-Dateien verfügbar. Das komplette Datenblatt (complete) und nicht die Kurzfassung (summary) verwenden.

* Die Beispielprogramme im [[AVR-Tutorial]] sind zwar in AVR-Assembler verfasst, Erläuterungen und Vorgehensweisen sind aber auch auf C-Programme übertragbar.

* Einen Beitrag in eines der Foren oder eine Mail an die Mailing-Liste schreiben. Dabei möglichst viel Information geben: Controller, Compilerversion, genutzte Bibliotheken, Ausschnitte aus dem Quellcode oder besser ein [http://www.mikrocontroller.net/topic/72767#598986 Testprojekt] mit allen notwendigen Dateien, um das Problem nachzuvollziehen, sowie genaue Fehlermeldungen bzw. Beschreibung des Fehlverhaltens. Bei Ansteuerung externer Geräte die Beschaltung beschreiben oder skizzieren (z. B. mit [http://www.tech-chat.de/ Andys ASCII Circuit]). Siehe dazu auch: '''[http://www.tty1.net/smart-questions_de.html "Wie man Fragen richtig stellt"]'''.

= Erzeugen von Maschinencode =

Aus dem C-Quellcode erzeugt der avr-gcc Compiler (zusammen mit Hilfsprogrammen wie z. B. Präprozessor, Assembler und Linker) Maschinencode für den AVR-Controller. Üblicherweise liegt dieser Code dann im Intel Hex-Format vor ("Hex-Datei"). Die Programmiersoftware (z. B. [[AVRDUDE]], PonyProg oder AVRStudio/STK500-plugin) liest diese Datei ein und überträgt die enthaltene Information (den Maschinencode) in den Speicher des Controllers. Im Prinzip sind also "nur" der avr-gcc-Compiler (und wenige Hilfsprogramme) mit den "richtigen" Optionen aufzurufen, um aus C-Code eine "Hex-Datei" zu erzeugen. Grundsätzlich stehen dazu zwei verschiedene Ansätze zur Verfügung:

* Die Verwendung einer integrierten Entwicklungsumgebung (IDE = '''I'''ntegrated '''D'''evelopment '''E'''nvironment), bei der alle Einstellungen z. B. in Dialogboxen durchgeführt werden können. Unter Anderem kann AVRStudio ab Version 4.12 (kostenlos auf [http://www.atmel.com/ atmel.com]) zusammen mit WinAVR als integrierte Entwicklungsumgebung für den Compiler avr-gcc genutzt werden (dazu müssen AVRStudio und WinAVR auf dem Rechner installiert sein). Weitere IDEs (ohne Anspruch auf Vollständigkeit): [http://www.eclipse.org/ Eclipse for C/C++ Developers] (d.h. inkl. CDT) und das [http://avr-eclipse.sourceforge.net/wiki/index.php/The_AVR_Eclipse_Plugin AVR-Eclipse Plugin] (für diverse Plattformen, u.a. Linux und MS Windows, IDE und Plugin kostenlos), [http://sourceforge.net/projects/kontrollerlab KontrollerLab] (Linux/KDE, kostenlos). [http://www.atmanecl.com/EnglishSite/SoftwareEnglish.htm AtmanAvr] (MS Windows, relativ günstig), KamAVR (MS-Windows, kostenlos, wird augenscheinlich nicht mehr weiterentwickelt), [http://www.amctools.com/vmlab.htm VMLab] (MS Windows, ab Version 3.12 ebenfalls kostenlos). Integrierte Entwicklungsumgebungen unterscheiden sich stark in Ihrer Bedienung und stehen auch nicht für alle Plattformen zur Verfügung, auf denen der Compiler ausführbar ist (z. B. AVRStudio nur für MS-Windows). Zur Anwendung des avr-gcc Compilers mit IDEs sei hier auf deren Dokumentation verwiesen.

* Die Nutzung des Programms make mit passenden Makefiles. In den folgenden Abschnitten wird die Generierung von Maschinencode für einen AVR ("hex-Datei") aus C-Quellcode ("c-Dateien") anhand von "make" und den "Makefiles" näher erläutert. Viele der darin beschriebenen Optionen findet man auch im Konfigurationsdialog des avr-gcc-Plugins von AVRStudio (AVRStudio generiert ein makefile in einem Unterverzeichnis des Projektverzeichnisses).

Beim Wechsel vom makefile-Ansatz nach WinAVR-Vorlage zu AVRStudio ist darauf zu achten, dass AVRStudio (Stand: AVRStudio Version 4.13) bei einem neuen Projekt die Optimierungsoption (vgl. Artikel [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs_Makefiles|AVR-GCC-Tutorial/Exkurs: Makefiles]], typisch: -Os) nicht einstellt und die mathematische Bibliothek der avr-libc (libm.a, Linker-Option -lm) nicht einbindet. (Hinweis: Bei Version 4.16 wird beides bereits gesetzt). Beides ist Standard bei Verwendung von makefiles nach WinAVR-Vorlage und sollte daher auch im Konfigurationsdialog des avr-gcc-Plugins von AVRStudio "manuell" eingestellt werden, um auch mit AVRStudio kompakten Code zu erzeugen.

= Einführungsbeispiel =

Zum Einstieg ein kleines Beispiel, an dem die Nutzung des Compilers und der Hilfsprogramme (der sogenannten ''Toolchain'') demonstriert wird. Detaillierte Erläuterungen folgen in den weiteren Abschnitten dieses Tutorials.

Das Programm soll auf einem AVR Mikrocontroller einige Ausgänge ein- und andere ausschalten. Das Beispiel ist für einen ATmega16 programmiert ([http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2466.pdf Datenblatt]), kann aber sinngemäß für andere Controller der AVR-Familie modifiziert werden.

Ein kurzes Wort zur Hardware: Bei diesem Programm werden alle Pins von PORTB auf Ausgang gesetzt, und einige davon werden auf HIGH andere auf LOW gesetzt. Das kann je nach angeschlossener Hardware an diesen Pins kritisch sein. Am ungefährlichsten ist es, wenn nichts an den Pins angeschlossen ist und man die Funktion des Programmes durch eine Spannungsmessung mit einem Multimeter kontrolliert. Die Spannung wird dabei zwischen GND-Pin und den einzelnen Pins von PORTB gemessen.

Zunächst der Quellcode der Anwendung, der in einer Text-Datei mit dem Namen ''main.c'' abgespeichert wird.

<c>
/* Alle Zeichen zwischen Schrägstrich-Stern
und Stern-Schrägstrich sind Kommentare */

// Zeilenkommentare sind ebenfalls möglich
// alle auf die beiden Schrägstriche folgenden
// Zeichen einer Zeile sind Kommentar

#include <avr/io.h> // (1)

int main (void) { // (2)

DDRB = 0xFF; // (3)
PORTB = 0x03; // (4)

while(1) { // (5)
/* "leere" Schleife*/ // (6)
} // (7)

/* wird nie erreicht */
return 0; // (8)
}
</c>

# In dieser Zeile wird eine sogenannte Header-Datei eingebunden. In <code>avr/io.h</code> sind die Registernamen definiert, die im späteren Verlauf genutzt werden. Auch unter Windows wird ein <code>/</code> zur Kennzeichnung von Unterverzeichnissen in Include-Dateinamen verwendet und kein <code>\</code>.
# Hier beginnt das eigentliche Programm. Jedes C-Programm beginnt mit den Anweisungen in der Funktion <code>main</code>.
# Die Anschlüsse eines AVR ("Beinchen") werden zu Blöcken zusammengefasst, einen solchen Block bezeichnet man als Port. Beim ATmega16 hat jeder Port 8 Anschlüsse, bei kleineren AVRs können einem Port auch weniger als 8 Anschlüsse zugeordnet sein. Da per Definition (Datenblatt) alle gesetzten Bits in einem Datenrichtungsregister den entsprechenden Anschluss auf Ausgang schalten, werden mit DDRB=0xff alle Anschlüsse des Ports B als Ausgänge eingestellt.
# stellt die Werte der Ausgänge ein. Die den ersten beiden Bits des Ports zugeordneten Anschlüsse (PB0 und PB1) werden 1, alle anderen Anschlüsse des Ports B (PB2-PB7) zu 0. Aktivierte Ausgänge (logisch 1 oder "high") liegen auf Betriebsspannung (VCC, meist 5 Volt), nicht aktivierte Ausgänge führen 0 Volt (GND, Bezugspotential). Es ist sinnvoll, sich möglichst frühzeitig eine alternative Schreibweise beizubringen, die wegen der leichteren Überprüfbarkeit und Portierbarkeit oft im weiteren Tutorial und in Forenbeiträgen benutzt wird. Die Zuordnung sieht in diesem Fall so aus, Näheres dazu im Artikel [[Bitmanipulation]]:<c>PORTB = (1<<PB1) | (1<<PB0);</c>
# ist der Beginn der sogenannte ''Hauptschleife'' (main-loop). Dies ist eine Endlosschleife, welche kontinuierlich wiederkehrende Befehle enthält.
# In diesem Beispiel ist die Hauptschleife leer. Der Controller durchläuft die Schleife immer wieder, ohne dass etwas passiert. Eine solche Schleife ist notwendig, da es auf dem Controller kein Betriebssystem gibt, das nach Beendigung des Programmes die Kontrolle übernehmen könnte. Ohne diese Schleife kehrt das Programm aus <code>main</code> zurück, alle Interrupts werden deaktiviert und eine Endlosschleife betreten.
# Ende der Hauptschleife und Sprung zur passenden, öffnenden Klammer, also zu 5.
# ist das Programmende. Die Zeile ist nur aus Gründen der C-Kompatibilität enthalten: <c>int main(void)</c> besagt, dass die Funktion einen int-Wert zurückgibt. Die Anweisung wird aber nicht erreicht, da das Programm die Hauptschleife nie verlässt.

Um diesen Quellcode in ein lauffähiges Programm zu übersetzen, wird hier ein Makefile genutzt. Das verwendete Makefile findet sich auf der Seite [[Beispiel Makefile]] und basiert auf der Vorlage, die in WinAVR mitgeliefert wird und wurde bereits angepasst (Controllertyp ATmega16). Man kann das Makefile bearbeiten und an andere Controller anpassen oder sich mit dem Programm MFile menügesteuert ein Makefile "zusammenklicken". Das Makefile speichert man unter dem Namen <code>Makefile</code> (ohne Endung) im selben Verzeichnis, in dem auch die Datei <code>main.c</code> mit dem Programmcode abgelegt ist. Detailliertere Erklärungen zur Funktion von Makefiles finden sich im Artikel [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs_Makefiles|Exkurs: Makefiles]].

<pre>
D:\beispiel>dir

Verzeichnis von D:\beispiel

28.11.2006 22:53 <DIR> .
28.11.2006 22:53 <DIR> ..
28.11.2006 20:06 118 main.c
28.11.2006 20:03 16.810 Makefile
2 Datei(en) 16.928 Bytes
</pre>

Nun gibt man ''make all'' ein. Falls das mit WinAVR installierte Programmers Notepad genutzt wird, gibt es dazu einen Menüpunkt im Tools Menü. Sind alle Einstellungen korrekt, entsteht eine Datei <code>main.hex</code>, in welcher der Code für den AVR enthalten ist.
<pre>
D:\beispiel>make all

-------- begin --------
avr-gcc (GCC) 3.4.6
Copyright (C) 2006 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions. There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

Compiling C: main.c
avr-gcc -c -mmcu=atmega16 -I. -gdwarf-2 -DF_CPU=1000000UL -Os -funsigned-char -f
unsigned-bitfields -fpack-struct -fshort-enums -Wall -Wstrict-prototypes -Wundef
-Wa,-adhlns=obj/main.lst -std=gnu99 -Wundef -MD -MP -MF .dep/main.o.d main.c -
o obj/main.o

Linking: main.elf
avr-gcc -mmcu=atmega16 -I. -gdwarf-2 -DF_CPU=1000000UL -Os -funsigned-char -funs
igned-bitfields -fpack-struct -fshort-enums -Wall -Wstrict-prototypes -Wundef -W
a,-adhlns=obj/main.o -std=gnu99 -Wundef -MD -MP -MF .dep/main.elf.d obj/main.o
--output main.elf -Wl,-Map=main.map,--cref -lm

Creating load file for Flash: main.hex
avr-objcopy -O ihex -R .eeprom main.elf main.hex
</pre>

Der Inhalt der hex-Datei kann nun zum Controller übertragen werden. Dies kann z. B. über In-System-Programming ([[ISP]]) erfolgen, das im [[AVR-Tutorial: Equipment]] beschrieben ist. Makefiles nach der WinAVR/MFile-Vorlage sind für die Nutzung des Programms [[AVRDUDE]] vorbereitet. Wenn man den Typ und Anschluss des Programmiergerätes richtig eingestellt hat, kann mit ''make program'' die Übertragung mittels AVRDUDE gestartet werden. Jede andere Software, die hex-Dateien lesen und zu einem AVR übertragen kann<ref>z. B. [[Pony-Prog_Tutorial|Ponyprog]], yapp, AVRStudio</ref>, kann natürlich ebenfalls genutzt werden.

Startet man nun den Controller (Reset-Taster oder Stromzufuhr aus/an), werden vom Programm die Anschlüsse PB0 und PB1 auf 1 gesetzt. Man kann mit einem Messgerät nun an diesem Anschluss die Betriebsspannung messen oder eine [[LED]] leuchten lassen (Anode an den Pin, Vorwiderstand nicht vergessen). An den Anschlüssen PB2-PB7 misst man 0 Volt. Eine mit der Anode mit einem dieser Anschlüsse verbundene LED leuchtet nicht.

= Ganzzahlige (Integer) Datentypen =

Bei der Programmierung von Mikrokontrollern ist die Definition einiger ganzzahliger Datentypen sinnvoll, an denen eindeutig die Bit-Länge abgelesen werden kann.

Standardisierte Datentypen werden in der Header-Datei <code>stdint.h</code> definiert, die folgendermaßen eingebunden werden kann:
<c>#include <stdint.h></c>

{| {{Tabelle}}
|+ '''int-Typen aus <code>stdint.h</code> (C99)'''  
|- bgcolor="#d0d0ff"
!colspan="5"| Vorzeichenbehaftete int-Typen
|- bgcolor="#e8e8ff"
! Typname || Bit-Breite ||colspan="2"| Wertebereich
|align="center| '''C-Entsprechung''' (avr-gcc)
|-
|<code>int8_t</code> ||align="right"| 8 || −128 ⋯ 127 || −27 ⋯ 27−1 || <code>signed char</code>
|-
|<code>int16_t</code> ||align="right"| 16 || −32768 ⋯ 32767 || −215 ⋯ 215−1 || <code>signed short</code>, <code>signed int</code>
|-
|<code>int32_t</code> ||align="right"| 32 || −2147483648 ⋯ 2147483647 || −231 ⋯ 231−1 || <code>signed long</code>
|-
|<code>int64_t</code> ||align="right"| 64 || −9223372036854775808 ⋯ 9223372036854775807 || −263 ⋯ 263−1 || <code>signed long long</code>
|- bgcolor="#d0d0ff"
!colspan="5"| Vorzeichenlose int-Typen
|- bgcolor="#e8e8ff"
! Typname || Bit-Breite ||colspan="2"| Wertebereich
|align="center| '''C-Entsprechung''' (avr-gcc)
|-
|<code>uint8_t</code> ||align="right"| 8 || 0 ⋯ 255 || 0 ⋯ 28−1 || <code>unsigned char</code>
|-
|<code>uint16_t</code> ||align="right"| 16 || 0 ⋯ 65535 || 0 ⋯ 216−1 || <code>unsigned short</code>, <code>unsigned int</code>
|-
|<code>uint32_t</code> ||align="right"| 32 || 0 ⋯ 4294967295 || 0 ⋯ 232−1 || <code>unsigned long</code>
|-
|<code>uint64_t</code> ||align="right"| 64 || 0 ⋯ 18446744073709551615 || 0 ⋯ 264−1 || <code>unsigned long long</code>
|}

Neben den Typen gibt es auch Makros für die Bereichsgrenzen wie <code>INT8_MIN</code> oder <code>UINT16_MAX</code>. Siehe dazu auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__avr__stdint.html Dokumentation der avr-libc: Standard Integer Types].

= Bitfelder =

Beim Programmieren von Mikrocontrollern muss auf jedes Byte oder sogar auf
jedes Bit geachtet werden. Oft müssen wir in einer Variablen lediglich den
Zustand 0 oder 1 speichern. Wenn wir nun zur Speicherung eines einzelnen Wertes
den kleinsten bekannten Datentypen, nämlich '''unsigned char''', nehmen, dann
verschwenden wir 7 Bits, da ein '''unsigned char''' ja 8 Bits breit ist.

Hier bietet uns die Programmiersprache C ein mächtiges Werkzeug an, mit dessen
Hilfe wir 8 Bits in eine einzelne Bytevariable zusammenfassen und (fast) wie
8 einzelne Variablen ansprechen können. Die Rede ist von sogenannten Bitfeldern. Diese werden als Strukturelemente definiert. Sehen wir uns dazu doch am besten gleich ein Beispiel an:

<c>
struct {
unsigned bStatus_1:1; // 1 Bit für bStatus_1
unsigned bStatus_2:1; // 1 Bit für bStatus_2
unsigned bNochNBit:1; // Und hier noch mal ein Bit
unsigned b2Bits:2; // Dieses Feld ist 2 Bits breit
// All das hat in einer einzigen Byte-Variable Platz.
// die 3 verbleibenden Bits bleiben ungenutzt
} x;
</c>

Der Zugriff auf ein solches Feld erfolgt nun, wie beim Strukturzugriff bekannt,
über den Punkt- oder den Dereferenzierungs-Operator:

<c>
x.bStatus_1 = 1;
x.bStatus_2 = 0;
x.b2Bits = 3;
</c>

Bitfelder sparen Platz im RAM, zu Lasten von Platz im Flash, verschlechtern aber unter Umständen die Les- und Wartbarkeit des Codes. Anfängern wird deshalb geraten, ein "ganzes" Byte (uint8_t) zu nutzen, auch wenn nur ein Bitwert gespeichert werden soll.

= Grundsätzlicher Programmaufbau eines µC-Programms =

Wir unterscheiden zwischen 2 verschiedenen Methoden, um ein
Mikrocontroller-Programm zu schreiben, und zwar völlig unabhängig davon, in
welcher Programmiersprache das Programm geschrieben wird.

== Sequentieller Programmablauf ==

[[Image:Sequentielle Programme.gif|left]]
Bei dieser Programmiertechnik wird eine Endlosschleife programmiert, welche im
Wesentlichen immer den gleichen Aufbau hat. Es wird hier nach dem sogenannten EVA-Prinzip gehandelt. EVA steht für "Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe":
{{Absatz}}

== Interruptgesteuerter Programmablauf ==

[[Image:Interrupt Programme.gif|left]]
Bei dieser Methode werden beim Programmstart zuerst die gewünschten Interruptquellen aktiviert und dann in eine Endlosschleife gegangen, in welcher Dinge erledigt werden können, welche nicht zeitkritisch sind. Wenn ein Interrupt ausgelöst wird, so wird automatisch die zugeordnete Interruptfunktion ausgeführt.
{{Absatz}}

= Zugriff auf Register =

Die AVR-Controller verfügen über eine Vielzahl von Registern. Die meisten
davon sind sogenannte Schreib-/Leseregister. Das heißt, das Programm kann die
Inhalte der Register sowohl auslesen als auch beschreiben.

Register haben einen besonderen Stellenwert bei den AVR Controllern. Sie dienen dem Zugriff auf die Ports und die Schnittstellen des Controllers. Wir unterscheiden zwischen 8-Bit und 16-Bit Registern. Vorerst behandeln wir die 8-Bit Register.

Einzelne Register sind bei allen AVRs vorhanden, andere wiederum nur bei bestimmten Typen. So sind beispielsweise die Register, welche für den Zugriff auf den UART notwendig sind, selbstverständlich nur bei denjenigen Modellen vorhanden, welche über einen integrierten Hardware UART bzw. USART verfügen.

Die Namen der Register sind in den Headerdateien zu den entsprechenden AVR-Typen definiert. Dazu muss man den Namen der controllerspezifischen Headerdatei nicht kennen. Es reicht aus, die allgemeine Headerdatei ''avr/io.h'' einzubinden:

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

Ist im Makefile der MCU-Typ z. B. mit dem Inhalt atmega8 definiert (und wird somit per -mmcu=atmega8 an den Compiler übergeben), wird beim Einlesen der io.h-Datei implizit ("automatisch") auch die iom8.h-Datei mit den Register-Definitionen für den ATmega8 eingelesen.


Intern wird diese "Automatik" wie folgt realisiert: Der Controllertyp wird dem Compiler als Parameter übergeben (vgl. ''avr-gcc -c -mmcu=atmega16 [...]'' im Einführungsbeispiel). Wird ein Makefile nach der WinAVR/mfile-Vorlage verwendet, setzt man die Variable ''MCU'', der Inhalt dieser Variable wird dann an passender Stelle für die Compilerparameter verwendet. Der Compiler definiert intern eine dem mmcu-Parameter zugeordnete "Variable" (genauer: ein Makro) mit dem Namen des Controllers, vorangestelltem ''__AVR_'' und angehängten Unterstrichen (z. B. wird bei ''-mmcu=atmega16'' das Makro ''__AVR_ATmega16__'' definiert). Beim Einbinden der Header-Datei ''avr/io.h'' wird geprüft, ob das jeweilige Makro definiert ist und die zum Controller passende Definitionsdatei eingelesen. Zur Veranschaulichung einige Ausschnitte aus einem Makefile:

<pre>
[...]
# MCU Type ("name") setzen:
MCU = atmega16
[...]

[...]
## Verwendung des Inhalts von MCU (hier atmega16) fuer die
## Compiler- und Assembler-Parameter
ALL_CFLAGS = -mmcu=$(MCU) -I. $(CFLAGS) $(GENDEPFLAGS)
ALL_CPPFLAGS = -mmcu=$(MCU) -I. -x c++ $(CPPFLAGS) $(GENDEPFLAGS)
ALL_ASFLAGS = -mmcu=$(MCU) -I. -x assembler-with-cpp $(ASFLAGS)
[...]

[...]
## Aufruf des Compilers:
## mit den Parametern ($(ALL_CFLAGS) ist -mmcu=$(MCU)[...] = -mmcu=atmega16[...]
$(OBJDIR)/%.o : %.c
@echo
@echo $(MSG_COMPILING) $<
$(CC) -c $(ALL_CFLAGS) $< -o $@
[...]
</pre>

Da --mmcu=atmega16 übergeben wurde, wird __AVR_ATmega16__ definiert und kann in avr/io.h zur Fallunterscheidung genutzt werden:

<c>
// avr/io.h
// (bei WinAVR-Standardinstallation in C:\WinAVR\avr\include\avr)
[...]
#if defined (__AVR_AT94K__)
# include <avr/ioat94k.h>
// [...]
#elif defined (__AVR_ATmega16__)
// da __AVR_ATmega16__ definiert ist, wird avr/iom16.h eingebunden:
# include <avr/iom16.h>
// [...]
#else
# if !defined(__COMPILING_AVR_LIBC__)
# warning "device type not defined"
# endif
#endif
</c>

Die Beispiele in den folgenden Abschnitten demonstrieren den Zugriff auf Register anhand der Register für I/O-Ports (PORTx, DDRx, PINx), die Vorgehensweise ist jedoch für alle Register (z. B. die des UART, ADC, SPI) analog.

== Schreiben in Register ==

Zum Schreiben kann man Register einfach wie eine Variable setzen.<ref>In Quellcodes, die für ältere Versionen des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, erfolgt der Schreibzugriff über die Funktion outp(). Aktuelle Versionen des Compilers unterstützen den Zugriff nun direkt, outp() ist nicht mehr erforderlich.</ref>

Beispiel:

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

int main()
{
/* Setzt das Richtungsregister des Ports A auf 0xff
(alle Pins als Ausgang, vgl. Abschnitt Zugriff auf Ports): */
DDRA = 0xff;

/* Setzt PortA auf 0x03, Bit 0 und 1 "high", restliche "low": */
PORTA = 0x03;

// Setzen der Bits 0,1,2,3 und 4
// Binär 00011111 = Hexadezimal 1F
DDRB = 0x1F; /* direkte Zuweisung - unübersichtlich */

/* Ausführliche Schreibweise: identische Funktionalität, mehr Tipparbeit
aber übersichtlicher und selbsterklärend: */
DDRB = (1 << DDB0) | (1 << DDB1) | (1 << DDB2) | (1 << DDB3) | (1 << DDB4);

while (1);
}
</c>

Die ausführliche Schreibweise sollte bevorzugt verwendet werden, da dadurch die Zuweisungen selbsterklärend sind und somit der Code leichter nachvollzogen werden kann. Atmel verwendet sie auch bei Beispielen in Datenblätten und in den allermeisten Quellcodes zu Application-Notes. Mehr zu der Schreibweise mit "|" und "<<" findet man unter [[Bitmanipulation]].

Der gcc C-Compiler unterstützt ab Version 4.3.0 Konstanten im Binärformat, z. B. DDRB = 0b00011111. Diese Schreibweise ist jedoch nur in GNU-C verfügbar und nicht in ISO-C definiert. Man sollte sie daher nicht verwenden, wenn Code mit anderen ausgetauscht oder mit anderen Compilern bzw. älteren Versionen des gcc genutzt werden soll.

== Verändern von Registerinhalten ==

Einzelne Bits setzt und löscht man "Standard-C-konform" mittels logischer (Bit-) Operationen.

<c>
x |= (1 << Bitnummer); // Hiermit wird ein Bit in x gesetzt
x &= ~(1 << Bitnummer); // Hiermit wird ein Bit in x geloescht
</c>

Es wird jeweils nur der Zustand des angegebenen Bits geändert, der vorherige Zustand der anderen Bits bleibt erhalten.

Beispiel:
<c>
#include <avr/io.h>
...
#define MEINBIT 2
...
PORTA |= (1 << MEINBIT); /* setzt Bit 2 an PortA auf 1 */
PORTA &= ~(1 << MEINBIT); /* loescht Bit 2 an PortA */
</c>

Mit dieser Methode lassen sich auch mehrere Bits eines Registers gleichzeitig setzen und löschen.

Beispiel:
<c>
#include <avr/io.h>
...
DDRA &= ~( (1<<PA0) | (1<<PA3) ); /* PA0 und PA3 als Eingaenge */
PORTA |= (1<<PA0) | (1<<PA3); /* Interne Pull-Up fuer beide einschalten */
</c>

In Quellcodes, die für ältere Version den des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, werden einzelne Bits mittels der Funktionen sbi und cbi gesetzt bzw. gelöscht. Beide Funktionen sind nicht mehr erforderlich.

Siehe auch:
* [[Bitmanipulation]]
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Special Function Registers

== Lesen aus Registern ==

Zum Lesen kann man auf Register einfach wie auf eine Variable zugreifen. In Quellcodes, die für ältere Versionen des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, erfolgt der Lesezugriff über die Funktion inp(). Aktuelle Versionen des Compilers unterstützen den Zugriff nun direkt und inp() ist nicht mehr erforderlich.

Beispiel:

<c>
#include <avr/io.h>
#include <stdint.h>

uint8_t foo;

//...

int main(void)
{
/* kopiert den Status der Eingabepins an PortB
in die Variable foo: */
foo = PINB;
//...
}
</c>

Die Abfrage der Zustände von Bits erfolgt durch Einlesen des gesamten Registerinhalts und ausblenden der Bits deren Zustand nicht von Interesse ist. Einige Beispiele zum Prüfen ob Bits gesetzt oder gelöscht sind:

<c>
#define MEINBIT0 0
#define MEINBIT2 2

uint8_t i;

extern test1();

// Funkion test1 aufrufen, wenn Bit 0 in Register PINA gesetzt (1) ist
i = PINA; // Inhalt in Arbeitsvariable
i = i & 0x01; // alle Bits bis auf Bit 0 ausblenden (logisches und)
// falls das Bit gesetzt war, hat i den Inhalt 1
if ( i != 0 ) { // Ergebnis ungleich 0 (wahr)?
test1(); // dann muss Bit 0 in i gesetzt sein -> Funktion aufrufen
}
// verkürzt:
if ( ( PINA & 0x01 ) != 0 ) {
test1();
}
// nochmals verkürzt:
if ( PINA & 0x01 ) {
test1();
}
// mit definierter Bitnummer:
if ( PINA & ( 1 << MEINBIT0 ) ) {
test1();
}

// Funktion aufrufen, wenn Bit 0 und/oder Bit 2 gesetzt ist. (Bit 0 und 2 also Wert 5)
// (Bedenke: Bit 0 hat Wert 1, Bit 1 hat Wert 2 und Bit 2 hat Wert 4)
if ( PINA & 0x05 ) {
test1(); // Vergleich <> 0 (wahr), also mindestens eines der Bits gesetzt
}
// mit definierten Bitnummern:
if ( PINA & ( ( 1 << MEINBIT0 ) | ( 1 << MEINBIT2 ) ) ) {
test1();
}

// Funktion aufrufen, wenn Bit 0 und Bit 2 gesetzt sind
if ( ( PINA & 0x05 ) == 0x05 ) { // nur wahr, wenn beide Bits gesetzt
test1();
}

// Funktion test2() aufrufen, wenn Bit 0 gelöscht (0) ist
i = PINA; // einlesen in temporäre Variable
i = i & 0x01; // maskieren von Bit 0
if ( i == 0 ) { // Vergleich ist wahr, wenn Bit 0 nicht gesetzt ist
test2();
}
// analog mit not-Operator
if ( !i ) {
test2();
}
// nochmals verkürzt:
if ( !( PINA & 0x01 ) ) {
test2();
}
</c>

== Warten auf einen bestimmten Zustand ==

Es gibt in der Bibliothek avr-libc Funktionen, die warten, bis ein bestimmter Zustand eines Bits erreicht ist. Es ist allerdings normalerweise eine eher unschöne Programmiertechnik, da in diesen Funktionen "blockierend" gewartet wird. Der Programmablauf bleibt also an dieser Stelle stehen, bis das maskierte Ereignis erfolgt ist. Setzt man den [[Watchdog]] ein, muss man darauf achten, dass dieser auch noch getriggert wird (Zurücksetzen des Watchdogtimers).

Die Funktion '''loop_until_bit_is_set''' wartet in einer Schleife, bis das definierte Bit gesetzt ist. Wenn das Bit beim Aufruf der Funktion bereits gesetzt ist, wird die Funktion sofort wieder verlassen. Das niederwertigste Bit hat die Bitnummer 0.

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

/* Warten bis Bit Nr. 2 (das dritte Bit) in Register PINA gesetzt (1) ist */

#define WARTEPIN PINA
#define WARTEBIT PA2

// mit der avr-libc Funktion:
loop_until_bit_is_set(WARTEPIN, WARTEBIT);

// dito in "C-Standard":
// Durchlaufe die (leere) Schleife solange das WARTEBIT in Register WARTEPIN
// _nicht_ ungleich 0 (also 0) ist.
while ( !(WARTEPIN & (1 << WARTEBIT)) ) {}
...
</c>

Die Funktion '''loop_until_bit_is_clear''' wartet in einer Schleife, bis das definierte Bit gelöscht ist. Wenn das Bit beim Aufruf der Funktion bereits gelöscht ist, wird die Funktion sofort wieder verlassen.

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

/* Warten bis Bit Nr. 4 (das fuenfte Bit) in Register PINB geloescht (0) ist */
#define WARTEPIN PINB
#define WARTEBIT PB4

// avr-libc-Funktion:
loop_until_bit_is_clear(WARTEPIN, WARTEBIT);

// dito in "C-Standard":
// Durchlaufe die (leere) Schleife solange das WARTEBIT in Register WARTEPIN
// gesetzt (1) ist
while ( WARTEPIN & (1<<WARTEBIT) ) {}
...
</c>

Universeller und auch auf andere Plattformen besser übertragbar ist die Verwendung von C-Standardoperationen.

Siehe auch:
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Special Function Registers
* [[Bitmanipulation]]

== 16-Bit Register (ADC, ICR1, OCR1x, TCNT1, UBRR) ==

Einige der Portregister in den AVR-Controllern sind 16 Bit breit. Im Datenblatt sind diese Register üblicherweise mit dem Suffix "L" (Low-Byte) und "H" (High-Byte) versehen. Die avr-libc definiert zusätzlich die meisten dieser Variablen die Bezeichnung ohne "L" oder "H". Auf diese Register kann dann direkt zugegriffen werden. Die ist zum Beispiel der Fall für Register wie ADC oder TCNT1.
<c>
#include <avr/io.h>
...
uint16_t foo;

/* setzt die Wort-Variable foo auf den Wert der letzten AD-Wandlung */
foo = ADC;
</c>

Bei anderen Registern, wie zum Beispiel Baudraten-Register, liegen High- und Low-Teil nicht direkt nebeneinander im SFR-Bereich, so dass ein 16-Bit Zugriff nicht möglich ist und der Zugriff zusammengebastelt werden muss:

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

#ifndef F_CPU
#define F_CPU 3686400
#endif
#define UART_BAUD_RATE 9600

...
uint16_t baud = F_CPU / (UART_BAUD_RATE * 16L) -1;

UBRRH = (uint8_t) (baud >> 8);
UBRRL = (uint8_t) baud;
...
</c>

Bei einigen AVR-Typen wie ATmega8 oder ATmega16 teilen sich UBRRH und UCSRC die gleiche Speicher-Adresse. Damit der AVR trotzdem zwischen den beiden Registern unterscheiden kann, bestimmt das Bit7 (URSEL), welches Register tatsächlich beschrieben werden soll. ''1000 0011'' (0x83) adressiert demnach UCSRC und übergibt den Wert ''3'' und ''0000 0011'' (0x3) adressiert UBRRH und übergibt ebenfalls den Wert ''3''.

Speziell bei den 16-Bit-Timern und auch beim ADC ist es bei allen Zugriffen auf Datenregister erforderlich, dass diese Daten synchronisiert sind. Wenn z. B. bei einem 16-Bit-Timer das High-Byte des Zählregisters gelesen wurde und vor dem Lesezugriff auf das Low-Byte ein Überlauf des Low-Bytes stattfindet, erhält man einen völlig unsinnigen Wert. Auch die Compare-Register müssen synchron geschrieben werden, da es ansonsten zu unerwünschten Compare-Ereignissen kommen kann.

Beim ADC besteht das Problem darin, dass zwischen den Zugriffen auf die beiden Teilregister eine Wandlung beendet werden kann und der ADC ein neues Ergebnis in ADCL und ADCH schreiben will, wodurch High- und Low-Byte nicht zusammenpassen.

Um diese Datenmüllproduktion zu verhindern, gibt es in beiden Fällen eine Synchronisation, die jeweils durch den Zugriff auf das Low-Byte ausgelöst wird:
* Bei den Timer-Registern (das gilt für alle TCNT-, OCR- und ICR-Register bei den 16-Bit-Timern) wird bei einem ''Lesezugriff'' auf das Low-Byte automatisch das High-Byte in ein temporäres Register, das ansonsten nach außen nicht sichtbar ist, geschoben. Greift man nun ''anschließend'' auf das High-Byte zu, dann wird eben dieses temporäre Register gelesen.
* Bei einem ''Schreibzugriff'' auf eines der genannten Register wird das High-Byte in besagtem temporären Register zwischengespeichert und erst beim Schreiben des Low-Bytes werden ''beide'' gleichzeitig in das eigentliche Register übernommen.

Das bedeutet für die Reihenfolge:
* Lesezugriff: Erst Low-Byte, dann High-Byte
* Schreibzugriff: Erst High-Byte, dann Low-Byte

Des weiteren ist zu beachten, dass es für all diese 16-Bit-Register nur ein einziges temporäres Register gibt, so dass das Auftreten eines Interrupts, in dessen Handler ein solches Register manipuliert wird, bei einem durch ihn unterbrochenen Zugriff i.d.R. zu Datenmüll führt. 16-Bit-Zugriffe sind generell nicht atomar! Wenn mit Interrupts gearbeitet wird, kann es erforderlich sein, vor einem solchen Zugriff auf ein 16-Bit-Register die Interrupt-Bearbeitung zu deaktivieren.

Beim ADC-Datenregister ADCH/ADCL ist die Synchronisierung anders gelöst. Hier wird beim Lesezugriff (ADCH/ADCL sind logischerweise read-only) auf das Low-Byte ADCL beide Teilregister für Zugriffe seitens des ADC so lange gesperrt, bis das High-Byte ADCH ausgelesen wurde. Dadurch kann der ADC nach einem Zugriff auf ADCL keinen neuen Wert in ADCH/ADCL ablegen, bis ADCH gelesen wurde. Ergebnisse von Wandlungen, die zwischen einem Zugriff auf ADCL und ADCH beendet werden, gehen verloren!

Nach einem Zugriff auf ADCL muss grundsätzlich ADCH gelesen werden!

In beiden Fällen – also sowohl bei den Timern als auch beim ADC – werden vom C-Compiler 16-Bit Pseudo-Register zur Verfügung gestellt (z. B. TCNT1H/TCNT1L → TCNT1, ADCH/ADCL → ADC bzw. ADCW), bei deren Verwendung der Compiler automatisch die richtige Zugriffsreihenfolge regelt. In C-Programmen sollten grundsätzlich diese 16-Bit-Register verwendet werden! Sollte trotzdem ein Zugriff auf ein Teilregister erforderlich sein, sind obige Angaben zu berücksichtigen.

Es ist darauf zu achten, dass auch ein Zugriff auf die 16-Bit-Register vom Compiler in zwei 8-Bit-Zugriffe aufgeteilt wird und dementsprechend genauso nicht-atomar ist wie die Einzelzugriffe. Auch hier gilt, dass u.U. die Interrupt-Bearbeitung gesperrt werden muss, um Datenmüll zu vermeiden.

Beim ADC gibt es für den Fall, dass eine Auflösung von 8 Bit ausreicht, die Möglichkeit, das Ergebnis "linksbündig" in ADCH/ADCL auszurichten, so dass die relevanten 8 MSB in ADCH stehen. In diesem Fall muss bzw. sollte nur ADCH ausgelesen werden.

ADC und ADCW sind unterschiedliche Bezeichner für das selbe Registerpaar. Üblicherweise kann man in C-Programmen ADC verwenden, was analog zu den anderen 16-Bit-Registern benannt ist. ADCW (ADC Word) existiert nur deshalb, weil die Headerdateien auch für Assembler vorgesehen sind und es bereits einen Assembler-Befehl namens ''adc'' gibt.

Im Umgang mit 16-Bit Registern siehe auch:
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Related Pages/Frequently Asked Questions/Nr. 8
* Datenblatt Abschnitt ''Accessing 16-bit Registers''

== IO-Register als Parameter und Variablen ==

Um Register als Parameter für eigene Funktionen übergeben zu können, muss man sie als einen volatile uint8_t Pointer übergeben. Zum Beispiel:

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

uint8_t key_pressed (volatile uint8_t *inputreg, uint8_t inputbit)
{
static uint8_t last_state = 0;

if (last_state == (*inputreg & (1<<inputbit)))
return 0; /* keine Änderung */

/* Wenn doch, warten bis etwaiges Prellen vorbei ist: */
_delay_ms(20);

/* Zustand für nächsten Aufruf merken: */
last_state = *inputreg & (1<<inputbit);

/* und den entprellten Tastendruck zurückgeben: */
return *inputreg & (1<<inputbit);
}

/* Beispiel für einen Funktionsaufruf: */

void foo (void)
{
uint8_t i = key_pressed (&PINB, PB1);
}
</c>

Ein Aufruf der Funktion mit call by value würde Folgendes bewirken: Beim Funktionseintritt wird nur eine Kopie des momentanen Portzustandes angefertigt, die sich unabhängig vom tatsächlichen Zustand das Ports nicht mehr ändert, womit die Funktion wirkungslos wäre. Die Übergabe eines Zeigers wäre die Lösung, wenn der Compiler nicht optimieren würde. Denn dadurch wird im Programm nicht von der Hardware gelesen, sondern wieder nur von einem Abbild im Speicher. Das Ergebnis wäre das gleiche wie oben. Mit dem Schlüsselwort volatile sagt man nun dem Compiler, dass die entsprechende Variable entweder durch andere Softwareroutinen (Interrupts) oder durch die Hardware verändert werden kann.

= Zugriff auf IO-Ports =

Jeder AVR implementiert eine unterschiedliche Menge an GPIO-Registern
(GPIO - General Purpose Input/Output). Diese Register dienen dazu:
* einzustellen welche der Anschlüsse ("Beinchen") des Controllers als Ein- oder Ausgänge dienen
* bei Ausgängen deren Zustand festzulegen
* bei Eingängen deren Zustand zu erfassen

Mittels GPIO werden digitale Zustände gesetzt und erfasst, d.h. die Spannung an einem Ausgang wird ein- oder ausgeschaltet und an einem Eingang wird erfasst, ob die anliegende Spannung über oder unter einem bestimmten Schwellwert liegt. Im Datenblatt Abschnitt Electrical Characteristics/DC Characteristics finden sich die Spannungswerte (V_OL, V_OH für Ausgänge, V_IL, V_IH für Eingänge).

Die Verarbeitung von analogen Eingangswerten und die Ausgabe von Analogwerten wird in Kapitel [[AVR-GCC-Tutorial#Analoge_Ein-_und_Ausgabe|Analoge Ein- und Ausgabe]] behandelt.

Alle Ports der AVR-Controller werden über Register gesteuert. Dazu sind jedem Port 3 Register zugeordnet:

{| class="wikitable"
|-
! DDRx
| Datenrichtungsregister für Port'''x'''.
'''x''' entspricht '''A''', '''B''', ''' C''', '''D''' usw. (abhängig von der Anzahl der Ports des verwendeten AVR). Bit im Register gesetzt (1) für Ausgang, Bit gelöscht (0) für Eingang.
|-
! PINx
| Eingangsadresse für Port'''x'''.
Zustand des Ports. Die Bits in PINx entsprechen dem Zustand der als Eingang definierten Portpins. Bit 1 wenn Pin "high", Bit 0 wenn Portpin low.
|-
! PORTx
| Datenregister für Port'''x'''.
Dieses Register wird verwendet, um die Ausgänge eines Ports anzusteuern. Bei Pins, die mittels DDRx auf Eingang geschaltet wurden, können über PORTx
die internen Pull-Up Widerstände aktiviert oder deaktiviert werden (1 = aktiv).
|}

Die folgenden Beispiele gehen von einem AVR aus, der sowohl Port A als auch Port B besitzt. Sie müssen für andere AVRs (zum Beispiel ATmega8/48/88/168) entsprechend angepasst werden.

== Datenrichtung bestimmen ==

Zuerst muss die Datenrichtung der verwendeten Pins bestimmt werden. Um dies zu erreichen, wird das Datenrichtungsregister des entsprechenden Ports beschrieben.

Für jeden Pin, der als Ausgang verwendet werden soll, muss dabei das
entsprechende Bit auf dem Port gesetzt werden. Soll der Pin als Eingang
verwendet werden, muss das entsprechende Bit gelöscht sein.

Beispiel:
Angenommen am Port B sollen die Pins 0 bis 4 als Ausgänge definiert werden, die noch verbleibenden Pins 5 bis 7 sollen als Eingänge fungieren. Dazu ist es daher notwendig, im für das Port B zuständigen Datenrichtungsregister DDRB folgende Bitkonfiguration einzutragen

+---+---+---+---+---+---+---+---+
| 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
+---+---+---+---+---+---+---+---+
7 6 5 4 3 2 1 0

In C liest sich das dann so:

<c>
// in io.h wird u.a. DDRB definiert:
#include <avr/io.h>

int main()
{
// Setzen der Bits 0,1,2,3 und 4
// Binär 00011111 = Hexadezimal 1F
// direkte Zuweisung - standardkonform */
DDRB = 0x1F; /*

// übersichtliche Alternative - Binärschreibweise, aber kein ISO-C
DDRB = 0b00011111;

// Ausführliche Schreibweise: identische Funktionalität, mehr Tipparbeit
// aber übersichtlicher und selbsterklärend:
DDRB = (1 << DDB0) | (1 << DDB1) | (1 << DDB2) | (1 << DDB3) | (1 << DDB4);
</c>

Die Pins 5 bis 7 werden (da 0) als Eingänge geschaltet. Weitere Beispiele:

<c>
// Alle Pins des Ports B als Ausgang definieren:
DDRB = 0xff;
// Pin0 wieder auf Eingang und andere im ursprünglichen Zustand belassen:
DDRB &= ~(1 << DDB0);
// Pin 3 und 4 auf Eingang und andere im ursprünglichen Zustand belassen:
DDRB &= ~((1 << DDB3) | (1 << DDB4));
// Pin 0 und 3 wieder auf Ausgang und andere im ursprünglichen Zustand belassen:
DDRB |= (1 << DDB0) | (1 << DDB3);
// Alle Pins auf Eingang:
DDRB = 0x00;
</c>

== Vordefinierte Bitnummern für I/O-Register ==

Die Bitnummern (z. B. PCx, PINCx und DDCx für den Port C) sind in den io*.h-Dateien der avr-libc definiert und dienen lediglich der besseren Lesbarkeit. Man muss diese Definitionen nicht verwenden oder kann auch einfach "immer" PAx, PBx, PCx usw. nutzen, auch wenn der Zugriff auf Bits in DDRx- oder PINx-Registern erfolgt. Für den Compiler sind die Ausdrücke (1<<PC7), (1<<DDC7) und (1<<PINC7) identisch zu (1<<7) (genauer: der Präprozessor ersetzt die Ausdrücke (1<<PC7),... zu (1<<7)). Ein Ausschnitt der Definitionen für Port C eines ATmega32 aus der iom32.h-Datei zur Verdeutlichung (analog für die weiteren Ports):

<c>
...
/* PORTC */
#define PC7 7
#define PC6 6
#define PC5 5
#define PC4 4
#define PC3 3
#define PC2 2
#define PC1 1
#define PC0 0

/* DDRC */
#define DDC7 7
#define DDC6 6
#define DDC5 5
#define DDC4 4
#define DDC3 3
#define DDC2 2
#define DDC1 1
#define DDC0 0

/* PINC */
#define PINC7 7
#define PINC6 6
#define PINC5 5
#define PINC4 4
#define PINC3 3
#define PINC2 2
#define PINC1 1
#define PINC0 0
</c>

== Digitale Signale ==

Am einfachsten ist es, digitale Signale mit dem Mikrocontroller zu erfassen bzw. auszugeben.

== Ausgänge ==
Will man als Ausgang definierte Pins (entsprechende DDRx-Bits = 1) auf Logisch 1 setzen, setzt man die entsprechenden Bits im Portregister.

Mit dem Befehl
<c>
#include <avr/io.h>
...
PORTB = 0x04; /* besser PORTB=(1<<PB2) */

// übersichtliche Alternative - Binärschreibweise
PORTB = 0b00000100; /* direkte Zuweisung - übersichtlich */

</c>
wird also der Ausgang an Pin PB2 gesetzt (Beachte, dass die Bits immer ''von 0 an'' gezählt werden, das niederwertigste Bit ist also Bitnummer 0 und nicht etwa Bitnummer 1).

Man beachte, dass bei der Zuweisung mittels '''=''' immer alle Pins gleichzeitig angegeben werden. Man sollte also, wenn nur bestimmte Ausgänge geschaltet werden sollen, zuerst den aktuellen Wert des Ports einlesen und das Bit des gewünschten Ports in diesen Wert einfließen lassen. Will man also nur den dritten Pin (Bit Nr. 2) an Port B auf "high" setzen und den Status der anderen Ausgänge unverändert lassen, nutze man diese Form:

<c>
#include <avr/io.h>
...
PORTB = PORTB | 0x04; /* besser: PORTB = PORTB | ( 1<<PB2 ) */
/* vereinfacht durch Nutzung des |= Operators : */
PORTB |= (1<<PB2);

/* auch mehrere "gleichzeitig": */
PORTB |= (1<<PB4) | (1<<PB5); /* Pins PB4 und PB5 "high" */
</c>

"Ausschalten", also Ausgänge auf "low" setzen, erfolgt analog:

<c>
#include <avr/io.h>
...
PORTB &= ~(1<<PB2); /* löscht Bit 2 in PORTB und setzt damit Pin PB2 auf low */
PORTB &= ~( (1<<PB4) | (1<<PB5) ); /* Pin PB4 und Pin PB5 "low" */
</c>
Siehe auch [[Bitmanipulation]]

In Quellcodes, die für ältere Version den des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, werden einzelne Bits mittels der Funktionen sbi und cbi gesetzt bzw. gelöscht. Beide Funktionen sind in aktuellen Versionen der avr-libc nicht mehr enthalten und auch nicht mehr erforderlich.

''Falls der Anfangszustand von Ausgängen kritisch ist, muss die Reihenfolge beachtet werden, mit der die Datenrichtung (DDRx) eingestellt und der Ausgabewert (PORTx) gesetzt wird:''

Für Ausgangspins, die mit Anfangswert "high" initialisiert werden sollen:
* zuerst die Bits im PORTx-Register setzen
* anschließend die Datenrichtung auf Ausgang stellen

Daraus ergibt sich die Abfolge für einen Pin, der bisher als Eingang mit abgeschaltetem Pull-Up konfiguriert war:
* setze PORTx: interner Pull-Up aktiv
* setze DDRx: Ausgang ("high")

Bei der Reihenfolge erst DDRx und dann PORTx kann es zu einem kurzen "low-Puls" kommen, der auch externe Pull-Up-Widerstände "überstimmt". Die (ungünstige) Abfolge: Eingang -> setze DDRx: Ausgang (auf "low", da PORTx nach Reset 0) -> setze PORTx: Ausgang auf high. Vergleiche dazu auch das Datenblatt Abschnitt ''Configuring the Pin''.

== Eingänge (Wie kommen Signale in den µC) ==

Die digitalen Eingangssignale können auf verschiedene Arten zu unserer Logik gelangen.

=== Signalkopplung ===

Am einfachsten ist es, wenn die Signale direkt aus einer anderen digitalen Schaltung übernommen werden können. Hat der Ausgang der entsprechenden Schaltung TTL-Pegel dann können wir sogar direkt den Ausgang der Schaltung mit einem Eingangspin von unserem Controller verbinden.

Hat der Ausgang der anderen Schaltung keinen TTL-Pegel so müssen wir den Pegel über entsprechende Hardware (z. B. Optokoppler, [[Widerstand#Spannungsteiler|Spannungsteiler]], "Levelshifter" aka [[Pegelwandler]]) anpassen.

Die Masse der beiden Schaltungen muss selbstverständlich miteinander verbunden werden. Der Software selber ist es natürlich letztendlich egal, wie das Signal eingespeist wird. Wir können ja ohnehin lediglich prüfen, ob an einem Pin unseres Controllers eine logische 1 (Spannung größer ca. 0,7*Vcc) oder eine logische 0 (Spannung kleiner ca. 0,2*Vcc) anliegt. Detaillierte Informationen darüber, ab welcher Spannung ein Eingang als 0 ("low") bzw. 1 ("high") erkannt wird, liefert die Tabelle DC Characteristics im Datenblatt des genutzten Controllers.

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''Spannungstabelle''' (ca. Grenzwerte)
|
! Low || High
|-
! bei 5 V
| 1 V || 3,5 V
|-
! bei 3,3 V
| 0,66 V || 2,31 V
|-
! bei 1,8 V
| 0,36 V || 1,26 V
|}

Die Abfrage der Zustände der Portpins erfolgt direkt über den Registernamen.

{{Warnung|Dabei ist wichtig, zur Abfrage der Eingänge ''nicht'' etwa Portregister '''PORTx''' zu verwenden, sondern Eingangsregister '''PINx'''. Ansonsten liest man nicht den Zustand der Eingänge, sondern den Status der internen Pull-Up-Widerstände. Die Abfrage der Pinzustände über PORTx statt PINx ist ein häufiger Fehler beim AVR-"Erstkontakt".}}

Will man also die aktuellen Signalzustände von Port D abfragen und in eine Variable namens bPortD abspeichern, schreibt man folgende Befehlszeilen:

<c>
#include <avr/io.h>
#include <stdint.h>
...
uint8_t bPortD;
...
bPortD = PIND;
...
</c>

Mit den C-Bitoperationen kann man den Status der Bits abfragen.

<c>
#include <avr/io.h>
...
/* Fuehre Aktion aus, wenn Bit Nr. 1 (das "zweite" Bit) in PINC gesetzt (1) ist */
if ( PINC & (1<<PINC1) ) {
/* Aktion */
}

/* Fuehre Aktion aus, wenn Bit Nr. 2 (das "dritte" Bit) in PINB geloescht (0) ist */
if ( !(PINB & (1<<PINB2)) ) {
/* Aktion */
}
...
</c>
Siehe auch [[Bitmanipulation#Bits_prüfen]]

=== Interne Pull-Up Widerstände ===

Portpins für Ein- und Ausgänge (GPIO) eines AVR verfügen über zuschaltbare interne Pull-Up Widerstände (nominal mehrere 10kOhm, z. B. ATmega16 20-50kOhm). Diese können in vielen Fällen statt externer Widerstände genutzt werden.

Die internen Pull-Up Widerstände von Vcc zu den einzelnen Portpins werden über das Register ''' PORTx''' aktiviert bzw. deaktiviert, wenn ein Pin als ''' Eingang''' geschaltet ist.

Wird der Wert des entsprechenden Portpins auf 1 gesetzt, so ist der Pull-Up Widerstand aktiviert. Bei einem Wert von 0 ist der Pull-Up Widerstand nicht aktiv. Man sollte jeweils entweder den internen oder einen externen Pull-Up Widerstand verwenden, aber nicht beide zusammen.

Im Beispiel werden alle Pins des Ports D als Eingänge geschaltet und alle Pull-Up Widerstände aktiviert. Weiterhin wird Pin PC7 als Eingang geschaltet und dessen interner Pull-Up Widerstand aktiviert, ohne die Einstellungen für die anderen Portpins (PC0-PC6) zu verändern.

<c>
#include <avr/io.h>
...
DDRD = 0x00; /* alle Pins von Port D als Eingang */
PORTD = 0xff; /* interne Pull-Ups an allen Port-Pins aktivieren */
...
DDRC &= ~(1<<PC7); /* Pin PC7 als Eingang */
PORTC |= (1<<PC7); /* internen Pull-Up an PC7 aktivieren */
</c>

=== Tasten und Schalter ===

Der Anschluss mechanischer Kontakte an den Mikrocontroller, ist zwischen zwei unterschiedliche Methoden zu unterscheiden: ''Active Low'' und ''Active High''.

<gallery widths="300" heights="300" caption="Anschluss mechanischer Kontakte an einen µC">
Image:Active Low.gif|'''Active Low:''' Bei dieser Methode wird der Kontakt zwischen den Eingangspin des Controllers und Masse geschaltet. Damit bei offenem Schalter der Controller kein undefiniertes Signal bekommt, wird zwischen die Versorgungsspannung und den Eingangspin ein sogenannter '''Pull-Up''' Widerstand geschaltet. Dieser dient dazu, den Pegel bei geöffnetem Schalter auf logisch 1 zu ziehen.
Image:Active High.gif|'''Active High:''' Hier wird der Kontakt zwischen die Versorgungsspannung und den Eingangspin geschaltet. Damit bei offener Schalterstellung kein undefiniertes Signal am Controller ansteht, wird zwischen den Eingangspin und die Masse ein '''Pull-Down''' Widerstand geschaltet. Dieser dient dazu, den Pegel bei geöffneter Schalterstellung auf logisch 0 zu halten.
</gallery>

Der Widerstandswert von Pull-Up- und Pull-Down-Widerständen ist an sich nicht kritisch. Wird er allerdings zu hoch gewählt, ist die Wirkung eventuell nicht gegeben. Als üblicher Wert haben sich 10 kOhm eingebürgert. Die AVRs verfügen an den meisten Pins über zuschaltbare interne Pull-Up Widerstände (vgl. Abschnitt [[AVR-GCC-Tutorial#Interne Pull-Up Widerstände|Interne Pull-Up Widerstände]]), welche insbesondere wie hier bei Tastern und ähnlichen Bauteilen (z. B. Drehgebern) statt externer Bauteile verwendet werden können. Interne Pull-Down-Widerstand sind nicht verfügbar und müssen daher in Form zusätzlicher Bauteile in die Schaltung eingefügt werden.

==== (Tasten-)Entprellung ====

Siehe: ''[[Entprellung#Warteschleifen-Verfahren|Entprellung: Warteschleifen-Verfahren]]

= Analoge Ein- und Ausgabe =

Analoge Eingangswerte werden in der Regel über den AVR Analog-Digital-Converter (AD-Wandler, ADC) eingelesen, der in vielen Typen verfügbar ist (typisch 10bit Auflösung). Durch diesen werden analoge Signale (Spannungen) in digitale Zahlenwerte gewandelt. Bei AVRs, die über keinen internen AD-Wandler verfügen (z. B. ATmega162), kann durch externe Beschaltung (R/C-Netzwerk und "Zeitmessung") die Funktion des AD-Wandlers "emuliert" werden.

Es gibt innerhalb der ATMega- und ATTiny-AVR Reihe keine Typen mit eingebautem Digital-Analog-Konverter (DAC) - diese Funktion ist erst ab der XMEGA-Reihe der AVR-Familie verfügbar, die aber wegen ihrer vielen Unterschiede im Umfang dieses Tutorials nicht behandelt wird.
Die Umsetzung zu einer analogen Spannung muss daher durch externe Komponenten vorgenommen werden. Das kann z. B. durch PWM und deren Filterung zu (fast) DC, oder einem sogenannten R2R-Netzwerk erfolgen.

Unabhängig davon besteht natürlich immer die Möglichkeit, spezielle Bausteine zur Analog-Digital- bzw. Digital-Analog-Wandlung zu nutzen und diese über eine digitale Schnittstelle (z.b. SPI oder I2C) mit einem AVR anzusteuern.

== AC (Analog Comparator) ==

Der Comparator vergleicht 2 Spannungen an den Pins AIN0 und AIN1 und gibt einen Status aus welche der beiden Spannungen größer ist. AIN0 Dient dabei als Referenzspannung (Sollwert) und AIN1 als Vergleichsspannung (Istwert). Als Referenzspannung kann auch alternativ eine interne Referenzspannung ausgewählt werden.

Liegt die Vergleichsspannung (IST) unter der der Referenzspannung (SOLL) gibt der Comperator eine logische 1 aus. Ist die Vergleichsspannung hingegen größer als die Referenzspannung wird eine logische 0 ausgegeben.

Der Comparator arbeitet völlig autark bzw. parallel zum Prozessor. Für mobile Anwendungen empfiehlt es sich ihn abzuschalten sofern er nicht benötigt wird, da er ansonsten Strom benötigt. Der Comparator kann Interruptgesteuert abgefragt werden oder im Pollingbetrieb.

Das Steuer- bzw. Statusregister ist wie folgt aufgebaut:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''ACSR - Analog Comparator Status Register'''
|-
! Bit
| 7|| 6|| 5|| 4|| 3|| 2|| 1|| 0
|-
! Name
| '''ACD'''|| '''ACBG'''|| '''ACO'''|| '''ACI'''|| '''ACIE'''|| '''ACIC'''|| '''ACIS1'''|| '''ACIS0'''
|-
! R/W
| R/W|| R/W|| R|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W
|-
! Initialwert
| 0|| 0|| n/a|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0
|}

;Bit 7 ACD: Analog Comparator Disable: 0 = Comparator ein, 1 = Comparator aus. Wird dieses Bit geändert kann ein Interrupt ausgelöst werden. Soll dies vermieden werden muss das Bit 3 ACIE ggf. abgeschaltet werden.

;Bit 6 ACBG: Analog Comparator Bandgap Select: Ermöglicht das umschalten zwischen interner und externer Referenzspannung. 1 = interne (~1,3 Volt), 0 = externe Referenzspannung (an Pin AIN0)

;Bit 5 ACO: Analog Comparator Output: Hier wird das Ergebnis des Vergleichs angezeigt. Es liegt typischerweise nach 1-2 Taktzyklen vor.
:: IST < SOLL → 1
:: IST > SOLL → 0

;Bit 4 ACI: Analog Comparator Interrupt Flag: Dieses Bit wird von der Hardware gesetzt, wenn ein Interruptereignis, das in Bit 0 und 1 definiert ist, eintritt. Dieses Bit löst noch keinen Interrupt aus! Die Interruptroutine wird nur dann ausgeführt, wenn das Bit 3 ACIE gesetzt ist und global Interrupts erlaubt sind (I-Bit in SREG gesetzt). Das Bit 4 ACI wird wieder gelöscht, wenn die Interruptroutine ausgeführt wurde oder wenn es manuell auf 1! gesetzt wird. Das Bit kann für Abfragen genutzt werden, steuert oder konfiguriert aber nicht den Comparator.

;Bit 3 ACIE: Analog Comparator Interrupt Enable: Ist das Bit auf 1 gesetzt, wird immer ein Interrupt ausgelöst, wenn das Ereignis das in Bit 1 und 0 definiert ist, eintritt.

;Bit 2 ACIC: Analog Comparator Input Capture Enable: Wird das Bit gesetzt, wird der Comparatorausgang intern mit dem Counter 1 verbunden. Es könnten damit z.b. die Anzahl der Vergleiche im Counter1 gezählt werden. Um den Comparator an den Timer1 Input Capture Interrupt zu verbinden, muss im Timerregister das TICIE1 Bit auf 1 gesetzt werden. Der Trigger wird immer dann ausgelöst, wenn das in Bit 1 und 0 definierte Ereignis eintritt.

;Bit 1,0 ACIS1,ACIS0: Analog Comparator Interrupt select: Hier wird definiert, welche Ereignisse einen Interrupt auslösen sollen:
:* 00 = Interrupt auslösen bei jedem Flankenwechsel
:* 10 = Interrupt auslösen bei fallender Flanke
:* 11 = Interrupt auslösen bei steigender Flanke

Werden diese Bit geändert, kann ein Interrupt ausgelöst werden. Soll dies vermieden werden, muss das Bit 3 gelöscht werden.

== ADC (Analog Digital Converter) ==

Der Analog-Digital-Konverter (ADC) wandelt analoge Signale in digitale Werte um, welche vom Controller interpretiert werden können. Einige AVR-Typen haben bereits einen mehrkanaligen Analog-Digital-Konverter eingebaut. Die Feinheit, mit welcher ein analoges Signal aufgelöst werden kann, wird durch die Auflösung des ADC, d.h. durch die Anzahl der verwendeten Bits angegeben. So sind derzeit bspw. 8-Bit- oder 10-Bit-ADC im Einsatz. ADCs, die in AVRs enthalten sind, haben zur Zeit eine maximale Auflösung von 10-Bit.

Ein ADC mit 8 Bit Auflösung kann somit das analoge Signal in Abstufungen von 1/256 des Maximalwertes digitalisieren. Wenn wir nun mal annehmen, wir hätten eine Eingangspannung zwischen 0 und 5 Volt, eine Referenzspannung von 5 V und eine Auflösung von 3 Bit, dann könnten
Intervalle mit den Grenzen 0 V, 0.625 V, 1.25 V, 1.875 V, 2.5 V, 3.125 V, 3.75 V, 4.375 V, 5 V entsprechend folgender Tabelle unterschieden werden:

::{| class="wikitable" style="text-align:center"
! Eingangsspannung am ADC / V || Entsprechender Messwert
|-
| 0 – 0.625 || 0
|-
| 0.625 – 1.25 || 1
|-
| 1.25 – 1.875 || 2
|-
| 1.875 – 2.5 || 3
|-
| 2.5 – 3.125 || 4
|-
| 3.125 – 3.75 || 5
|-
| 3.75 – 4.375 || 6
|-
| 4.375 – 5 || 7
|}

Die Angaben sind natürlich nur ungefähr. Je höher nun die Auflösung des Analog-Digital-Konverters ist, also, je mehr Bits er hat, desto genauer kann der jeweilige Wert erfasst werden.

=== Der interne ADC im AVR ===

Oft sind auch mehrere Kanäle verfügbar. Kanäle heißt in diesem Zusammenhang, dass zwar bis zu zehn analoge Eingänge am AVR vorhanden sind, aber nur ein "echter" Analog-Digital-Wandler zur Verfügung steht. Vor der eigentlichen Messung ist also festzulegen, welcher Kanal ("Pin") mit dem Wandler verbunden und gemessen wird.

Die Umwandlung innerhalb des AVR basiert auf der schrittweisen Näherung. Beim AVR müssen die Pins '''AGND''' und '''AVCC''' beschaltet werden. Für genaue Messungen sollte AVCC über ein L-C Netzwerk mit VCC verbunden werden, um Spannungsspitzen und -einbrüche vom Analog-Digital-Wandler fernzuhalten. Im Datenblatt findet sich dazu eine Schaltung, die 10uH und 100nF vorsieht.

Das Ergebnis der Analog-Digital-Wandlung wird auf eine Referenzspannung bezogen. Aktuelle AVRs bieten drei Möglichkeiten zur Wahl dieser Spannung:

* Eine externe Referenzspannung von maximal '''Vcc''' am Anschlusspin '''AREF'''. Die minimale (externe) Referenzspannung darf jedoch nicht beliebig niedrig sein, vgl. dazu das (aktuellste) Datenblatt des verwendeten Controllers.

* Verfügt der AVR über eine interne Referenzspannung, kann diese genutzt werden. Alle aktuellen AVRs mit internem AD-Wandler sollten damit ausgestattet sein (vgl. Datenblatt: 2,56V oder 1,1V je nach Typ). Das Datenblatt gibt auch über die Genauigkeit dieser Spannung Auskunft.

* Es kann die Spannung AVcc als Referenzspannung herangezogen werden

Bei Nutzung von AVcc oder der internen Referenz wird empfohlen, einen Kondensator zwischen dem AREF-Pin und GND anzuordnen. Die Festlegung, welche Spannungsreferenz genutzt wird, erfolgt z. B. beim ATmega16 mit den Bits REFS1/REFS0 im ADMUX-Register. Die zu messende Spannung muss im Bereich zwischen '''AGND''' und '''AREF''' (egal ob intern oder extern) liegen.

Der '''ADC''' kann in zwei verschiedenen Betriebsarten verwendet werden:

; Einfache Wandlung (Single Conversion) : In dieser Betriebsart wird der Wandler bei Bedarf vom Programm angestoßen für jeweils eine Messung.

; Frei laufend (Free Running) : In dieser Betriebsart erfasst der Wandler permanent die anliegende Spannung und schreibt diese in das '''ADC Data Register'''.

==== Die Register des ADC ====

Der '''ADC''' verfügt über eigene Register. Im Folgenden die Registerbeschreibung eines ATMega16, welcher über 8 ADC-Kanäle verfügt. Die Register unterscheiden sich jedoch nicht erheblich von denen anderer AVRs (vgl. Datenblatt).

{| class="wikitable"
|-
| '''ADCSRA   '''
| '''ADC''' '''C'''ontrol and '''S'''tatus '''R'''egister A. 
In diesem Register stellen wir ein, wie wir den '''ADC''' verwenden möchten. 
Das Register ist wie folgt aufgebaut:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7|| 6|| 5|| 4|| 3|| 2|| 1|| 0
|-
! Name
| '''ADEN'''|| '''ADSC'''|| '''ADFR'''|| '''ADIF'''|| '''ADIE'''|| '''ADPS2'''|| '''ADPS1'''|| '''ADPS0'''
|-
! R/W
| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W
|-
! Initialwert
| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0
|}

'''ADEN''' ('''AD'''C '''En'''able)
:Dieses Bit muss gesetzt werden, um den ''' ADC''' überhaupt zu aktivieren. Wenn das Bit nicht gesetzt ist, können die Pins wie normale I/O-Pins verwendet werden.

'''ADSC''' ('''AD'''C '''S'''tart '''C'''onversion)
:Mit diesem Bit wird ein Messvorgang gestartet. In der frei laufenden Betriebsart muss das Bit gesetzt werden, um die kontinuierliche Messung zu aktivieren.
:Wenn das Bit nach dem Setzen des '''ADEN'''-Bits zum ersten Mal gesetzt wird, führt der Controller zuerst eine zusätzliche Wandlung und erst dann die eigentliche Wandlung aus. Diese zusätzliche Wandlung wird zu Initialisierungszwecken durchgeführt.
:Das Bit bleibt nun so lange auf 1, bis die Umwandlung abgeschlossen ist, im Initialisierungsfall entsprechend bis die zweite Umwandlung erfolgt ist und geht danach auf 0.

'''ADFR''' ('''AD'''C '''F'''ree '''R'''un select)
:Mit diesem Bit wird die Betriebsart eingestellt.
:Ist das Bit auf 1 gesetzt arbeitet der ADC im "Free Running"-Modus. Dabei wird das Datenregister permanent aktualisiert. Ist das Bit hingegen auf 0 gesetzt, macht der ADC nur eine "Single Conversion".

'''ADIF''' ('''AD'''C '''I'''nterrupt '''F'''lag)
:Dieses Bit wird vom ''' ADC''' gesetzt, sobald eine Umwandlung erfolgt ist und das '''ADC Data Register''' aktualisiert wurde. Das Bit wird bei lesendem Zugriff auf '''ADC(L,H)''' automatisch (d.h. durch die Hardware) gelöscht.
:Wenn das '''ADIE''' Bit sowie das '''I-Bit''' im AVR '''Statusregister''' gesetzt ist, wird der '''ADC Interrupt''' ausgelöst und die Interrupt-Behandlungsroutine aufgerufen.
:Das Bit wird automatisch gelöscht, wenn die Interrupt-Behandlungsroutine aufgerufen wird. Es kann jedoch auch gelöscht werden, indem eine logische '''1'''! in das Register geschrieben wird.

'''ADIE''' ('''AD'''C '''I'''nterrupt '''E'''nable)
:Wenn dieses Bit gesetzt ist und ebenso das ''' I-Bit''' im Statusregister '''SREG''', dann wird der ''' ADC-Interrupt''' aktiviert.

'''ADPS2...ADPS0''' ('''AD'''C '''P'''rescaler '''S'''elect Bits)
:Diese Bits bestimmen den Teilungsfaktor zwischen der Taktfrequenz und dem Eingangstakt des '''ADC'''.
:Der '''ADC''' benötigt einen eigenen Takt, welchen er sich selber aus der CPU-Taktfreqenz erzeugt. Der '''ADC'''-Takt sollte zwischen 50 und 200kHz liegen.
:Der Vorteiler muss also so eingestellt werden, dass CPU-Taktfrequenz dividiert durch den Teilungsfaktor einen Wert im Bereich '''(50-200)kHz''' ergibt.
:Bei einer CPU-Taktfrequenz von 4MHz beispielsweise rechnen wir

:<math>
\begin{matrix}
TF_{min}=\frac{CLK}{200\,\mathrm{kHz}}=\frac{4000000}{200000}=\mathbf{20}
\\
\\
TF_{max}=\frac{CLK}{50\,\mathrm{kHz}}=\frac{4000000}{50000}=\mathbf{80}
\end{matrix}
</math>

:Somit kann hier der Teilungsfaktor 32 oder 64 verwendet werden. Im Interesse der schnelleren Wandlungszeit werden wir hier den Faktor 32 einstellen.

:{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! '''ADPS2'''|| '''ADPS1'''|| '''ADPS0'''|| '''Teilungsfaktor'''
|-
| 0|| 0|| 0|| 2
|-
| 0|| 0|| 1|| 2
|-
| 0|| 1|| 0|| 4
|-
| 0|| 1|| 1|| 8
|-
| 1|| 0|| 0|| 16
|-
| 1|| 0|| 1|| 32
|-
| 1|| 1|| 0|| 64
|-
| 1|| 1|| 1|| 128
|}

|-
| '''ADCL''' 
'''ADCH'''
| '''ADC ''' Data Register 
Wenn eine Umwandlung abgeschlossen ist, befindet sich der gemessene Wert in
diesen beiden Registern. Von '''ADCH''' werden nur die beiden niederwertigsten Bits verwendet. Es müssen immer beide Register ausgelesen werden, und zwar immer '''in der Reihenfolge: ADCL, ADCH'''.
Der effektive Messwert ergibt sich dann zu:

<c>
x = ADCL; // mit uint16_t x
x += (ADCH<<8); // in zwei Zeilen (LSB/MSB-Reihenfolge und
// C-Operatorpriorität sichergestellt)
</c>

oder

<c>
x = ADCW; // je nach AVR auch x = ADC (siehe avr/ioxxx.h)
</c>

|-
| '''ADMUX  '''
| '''AD'''C '''Mu'''ltiple'''x'''er Select Register 
Mit diesem Register wird der zu messende Kanal ausgewählt. Beim 90S8535
kann jeder Pin von Port A als '''ADC'''-Eingang verwendet werden (=8 Kanäle). 
Das Register ist wie folgt aufgebaut:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7|| 6|| 5|| 4|| 3|| 2|| 1|| 0
|-
! Name
| '''REFS1'''|| '''REFS0'''|| '''ADLAR'''|| '''MUX4'''|| '''MUX3'''|| '''MUX2'''|| '''MUX1'''|| '''MUX0'''
|-
! '''R/W'''
| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W
|-
! Initialwert
| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0
|}

'''REFS1...REFS0''' ('''Ref'''erence'''S'''election Bits)
:Mit diesen Bits kann die Referenzspannung eingestellt werden. Bei der Umstellung sind Wartezeiten zu beachten, bis die ADC-Hardware einsatzfähig ist (Datenblatt und [http://www.mikrocontroller.net/topic/165513]):

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! '''REFS1'''|| '''REFS0'''|| '''Referenzspanung'''
|-
| 0|| 0|| Externes AREF
|-
| 0|| 1|| AVCC als Referenz
|-
| 1|| 0|| Reserviert
|-
| 1|| 1|| Interne 2,56 Volt
|}

'''ADLAR''' ('''ADC ''' '''L'''eft '''A'''djust '''R'''esult)
:Das ADLAR Bit verändert das Aussehen des Ergebnisses der AD-Wandlung. Bei einer logischen 1 wird das Ergebnis linksbündig ausgegeben, bei einer 0 rechtsbündig. Eine Änderung in diesem Bit beeinflusst das Ergebnis sofort, ganz egal ob bereits eine Wandlung läuft.

'''MUX4...MUX0'''
:Mit diesen 5 Bits wird der zu messende Kanal bestimmt. Wenn man einen einfachen 1-kanaligen ADC verwendet wird einfach die entsprechende Pinnummer des Ports in die Bits 0...4 eingeschrieben (je nach Anzahl der Wandler des AVR, bei 8 AD-Kanälen halt nur 0...2).
:Wenn das Register beschrieben wird, während eine Umwandlung läuft, so wird zuerst die aktuelle Umwandlung auf dem bisherigen Kanal beendet. Dies ist vor allem beim frei laufenden Betrieb zu berücksichtigen.

:Eine Empfehlung ist deswegen diese, dass der frei laufende Betrieb nur bei einem einzelnen zu verwendenden Analogeingang verwendet werden sollte, wenn man sich Probleme bei der Umschalterei ersparen will.
|}

==== Nutzung des ADC ====

Um den ''' ADC''' zu aktivieren, müssen wir das '''ADEN'''-Bit im '''ADCSR'''-Register setzen. Im gleichen Schritt legen wir auch die Betriebsart fest.

Ein kleines Beispiel für den "single conversion"-Mode bei einem ATmega169 und Nutzung der internen Referenzspannung (beim '169 1,1V bei anderen AVRs auch 2,56V). D.h. das Eingangssignal darf diese Spannung nicht überschreiten, gegebenenfalls muss es mit einem [[Spannungsteiler]] verringert werden. Das Ergebnis der Routine ist der ADC-Wert, also 0 für 0-Volt und 1023 für V_ref-Volt.

In der praktischen Anwendung wird man zum Programmstart den ADC erst einmal grundlegend konfigurieren und dann auf verschiedenen Kanälen messen. Diese beiden Dinge sollte man meist trennen, denn das Einschalten des ADC und vor allem der Referenzspannung dauert ein paar Dutzend Mikrosekunden. Außerdem ist das erste Ergebnis nach dem Einschalten ungültig und muss verworfen werden.

<c>

/* ADC initialisieren */
void ADC_Init(void) {

uint16_t result;

// ADMUX = (0<<REFS1) | (1<<REFS0); // AVcc als Referenz benutzen
ADMUX = (1<<REFS1) | (1<<REFS0); // interne Referenzspannung nutzen
// Bit ADFR ("free running") in ADCSRA steht beim Einschalten
// schon auf 0, also single conversion
ADCSRA = (1<<ADPS1) | (1<<ADPS0); // Frequenzvorteiler
ADCSRA |= (1<<ADEN); // ADC aktivieren

/* nach Aktivieren des ADC wird ein "Dummy-Readout" empfohlen, man liest
also einen Wert und verwirft diesen, um den ADC "warmlaufen zu lassen" */

ADCSRA |= (1<<ADSC); // eine ADC-Wandlung
while (ADCSRA & (1<<ADSC) ) {} // auf Abschluss der Konvertierung warten
/* ADCW muss einmal gelesen werden, sonst wird Ergebnis der nächsten
Wandlung nicht übernommen. */
result = ADCW;
}

/* ADC Einzelmessung */
uint16_t ADC_Read( uint8_t channel )
{
// Kanal waehlen, ohne andere Bits zu beeinflußen
ADMUX = (ADMUX & ~(0x1F)) | (channel & 0x1F);
ADCSRA |= (1<<ADSC); // eine Wandlung "single conversion"
while (ADCSRA & (1<<ADSC) ) {} // auf Abschluss der Konvertierung warten
return ADCW; // ADC auslesen und zurückgeben
}

/* ADC Mehrfachmessung mit Mittelwertbbildung */
uint16_t ADC_Read_Avg( uint8_t channel, uint8_t average )
{
uint32_t result = 0;

for (uint8_t i = 0; i < average; ++i )
result += ADC_Read( channel );

return (uint16_t)( result / average );
}

...

/* Beispielaufrufe: */

int main()
{
uint16_t adcval;
ADC_Init();

while( 1 ) {
adcval = ADC_Read(0); // Kanal 0
// mach was mit adcval

adcval = ADC_Read_Avg(2, 4); // Kanal 2, Mittelwert aus 4 Messungen
// mach was mit adcval
}
}

</c>

Im Beispiel läuft der ADC ständig. Für den Fall, dass man Strom sparen will, z.B. mittels Verwendung des [[Sleep Mode]]s, muss man den ADC nach jeder Messung abschalten und vor der nächsten Messung wieder einschalten, wobei auch dann wieder eine kleine Pause und Anfangswandlung nötig sind.



=== Analog-Digital-Wandlung ohne internen ADC ===

==== Messen eines Widerstandes ====

[[Image:Poti.gif|framed|right]]
Analoge Werte lassen sich ohne Analog-Digital-Wandler auch indirekt ermitteln. Im Folgenden wird die Messung des an einem Potentiometer eingestellten Widerstands anhand der Ladekurve eines Kondensators erläutert. Bei dieser Methode wird nur ein Portpin benötigt, ein Analog-Digital-Wandler oder Analog-Comparator ist nicht erforderlich. Es wird dazu ein Kondensator und der Widerstand (das Potentiometer) in Reihe zwischen Vorsorgungsspannung und Masse/GND geschaltet (sogen. RC-Netzwerk). Zusätzlich wird eine Verbindung der Leitung zwischen Kondensator und Potentiometer zu einem Portpin des Controllers hergestellt. Die folgende Abbildung verdeutlicht die erforderliche Schaltung.

Wird der Portpin des Controllers auf Ausgang konfiguriert (im Beispiel ''DDRD |= (1<<PD2)'') und dieser Ausgang auf Logisch 1 ("High", ''PORTD |= (1<<PD2)'') geschaltet, liegt an beiden "Platten" des Kondensators das gleiche Potential '''VCC''' an und der Kondensator somit entladen. (Klingt komisch, mit ''' Vcc''' entladen, ist aber so, da an beiden Seiten des Kondensators das gleiche Potential anliegt und somit eine Potentialdifferenz von 0V besteht => Kondensator ist entladen).

Nach einer gewissen Zeit ist der Kondensator entladen und der Portpin wird als Eingang konfiguriert (''DDRD &= ~(1<<PD2); PORTD &= ~(1<<PD2)''), wodurch dieser hochohmig wird. Der Status des Eingangspin (in PIND) ist Logisch 1 (High). Der Kondensator lädt sich jetzt über das Poti auf, dabei steigt der Spannungsabfall über dem Kondensator und derjenige über dem Poti sinkt. Fällt nun der Spannungsabfall über dem Poti unter die Threshold-Spannung des Eingangspins (2/5 Vcc, also ca. 2V), wird das Eingangssignal als LOW erkannt (Bit in PIND wird 0). Die Zeitspanne zwischen der Umschaltung von Entladung auf Aufladung und dem Wechsel des Eingangssignals von High auf Low ist ein Maß für den am Potentiometer eingestellten Widerstand. Zur Zeitmessung kann einer der im Controller vorhandenen Timer genutzt werden. Der 220 Ohm Widerstand dient dem Schutz des Controllers. Es würde sonst bei Maximaleinstellung des Potentionmeters (hier 0 Ohm) ein zu hoher Strom fließen, der die Ausgangsstufe des Controllers zerstört.

Mit einem weiteren Eingangspin und ein wenig Software können wir auch eine Kalibrierung realisieren, um den Messwert in einen vernünftigen Bereich (z.B: 0...100 % oder so) umzurechnen.



==== ADC über Komparator ====

[[Image:ADC ueber Komparator.gif|framed|right]]
Es gibt einen weiteren Weg, eine analoge Spannung mit Hilfe des
Komparators, welcher in fast jedem AVR integriert ist, zu messen. Siehe dazu
auch die Application Note AVR400 von Atmel.

Dabei wird das zu messende Signal auf den invertierenden Eingang
des Komparators geführt. Zusätzlich wird ein Referenzsignal an den nicht
invertierenden Eingang des Komparators angeschlossen. Das Referenzsignal wird
hier auch wieder über ein RC-Glied erzeugt, allerdings mit festen Werten für R
und C.

Das Prinzip der Messung ist nun dem vorhergehenden recht
ähnlich. Durch Anlegen eines LOW-Pegels an Pin 2 wird der Kondensator zuerst
einmal entladen. Auch hier muss darauf geachtet werden, dass der Entladevorgang
genügend lang dauert.
Nun wird Pin 2 auf HIGH gelegt. Der Kondensator wird geladen. Wenn die Spannung
über dem Kondensator die am Eingangspin anliegende Spannung erreicht hat,
schaltet der Komparator durch. Die Zeit, welche benötigt wird, um den
Kondensator zu laden, kann nun auch wieder als Maß für die Spannung an Pin 1
herangezogen werden.

Ich habe es mir gespart, diese Schaltung auch aufzubauen, und zwar aus mehreren Gründen:

# 3 Pins notwendig.
# Genauigkeit vergleichbar mit einfacherer Lösung.
# War einfach zu faul.

Der Vorteil dieser Schaltung liegt allerdings darin, dass damit direkt Spannungen gemessen werden können.

== DAC (Digital Analog Converter) ==

Mit Hilfe eines Digital-Analog-Konverters ('''DAC''') können wir nun auch Analogsignale ausgeben. Es gibt hier mehrere Verfahren. 

=== DAC über mehrere digitale Ausgänge ===

Wenn wir an den Ausgängen des Controllers ein entsprechendes
Widerstandsnetzwerk aufbauen haben wir die Möglichkeit, durch die Ansteuerung
der Ausgänge über den Widerständen einen Addierer aufzubauen, mit dessen
Hilfe wir eine dem Zahlenwert proportionale Spannung erzeugen können. Das
Schaltbild dazu kann etwa so aussehen:

[[Image:DAC R2R.gif]]

Es sollten selbstverständlich möglichst genaue Widerstände verwendet
werden, also nicht unbedingt solche mit einer Toleranz von 10% oder mehr.
Weiterhin empfiehlt es sich, je nach Anwendung den Ausgangsstrom über einen
Operationsverstärker zu verstärken.

=== PWM (Pulsweitenmodulation) ===

Wir kommen nun zu einem Thema, welches in aller Munde ist, aber viele
Anwender verstehen nicht ganz, wie [[PWM]] eigentlich funktioniert.

Wie wir alle wissen, ist ein Mikrocontroller ein rein digitales Bauteil.
Definieren wir einen Pin als Ausgang, dann können wir diesen Ausgang entweder
auf HIGH setzen, worauf am Ausgang die Versorgungsspannung ''' Vcc''' anliegt, oder aber wir setzen den Ausgang auf LOW, wonach dann ''' 0V''' am Ausgang liegt. Was passiert aber nun, wenn wir periodisch mit einer festen Frequenz zwischen HIGH und LOW umschalten? - Richtig, wir erhalten eine Rechteckspannung, wie die folgende Abbildung zeigt:

[[Image:PWM Theorie 1.gif]]

Diese Rechteckspannung hat nun einen arithmetischen Mittelwert,
der je nach Pulsbreite kleiner oder größer ist.

[[Image:PWM Theorie 2.gif]]

Wenn wir nun diese pulsierende Ausgangsspannung noch über ein RC-Glied filtern/"glätten", dann haben wir schon eine entsprechende Gleichspannung erzeugt.

Mit den AVRs können wir direkt PWM-Signale erzeugen.
Dazu dient der 16-Bit Zähler, welcher im sogenannten PWM-Modus betrieben werden kann.

;Hinweis: In den folgenden Überlegungen wird als Controller der 90S2313 vorausgesetzt. Die Theorie ist bei anderen AVR-Controllern vergleichbar, die Pinbelegung allerdings nicht unbedingt, weshalb ein Blick ins entsprechende Datenblatt dringend angeraten wird.

Um den PWM-Modus zu aktivieren, müssen im Timer/Counter1 Control
Register A TCCR1A die Pulsweiten-Modulatorbits PWM10 bzw. PWM11 entsprechend nachfolgender Tabelle gesetzt werden:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! PWM11 || PWM10 || Bedeutung
|-
| 0 || 0 || PWM-Modus des Timers ist nicht aktiv
|-
| 0 || 1 || 8-Bit PWM
|-
| 1 || 0 || 9-Bit PWM
|-
| 1 || 1 || 10-Bit PWM
|}

Der Timer/Counter zählt nun permanent von 0 bis zur Obergrenze
und wieder zurück, er wird also als sogenannter Auf-/Ab Zähler betrieben.
Die Obergrenze hängt davon ab, ob wir mit 8, 9 oder 10-Bit PWM arbeiten wollen:

{| class="wikitable"
|-
! Auflösung || Obergrenze || Frequenz
|-
| align="center" | 8
| align="center" | 255
| fTC1 / 510
|-
| align="center" | 9
| align="center" | 511
| fTC1 / 1022
|-
| align="center" | 10
| align="center" | 1023
| fTC1 / 2046
|}

Zusätzlich muss mit den Bits '''COM1A1''' und '''COM1A0''' desselben
Registers die gewünschte Ausgabeart des Signals definiert werden:

{| class="wikitable"
|-
! COM1A1 || COM1A0 || Bedeutung
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| Keine Wirkung, Pin wird nicht geschaltet.
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| Keine Wirkung, Pin wird nicht geschaltet.
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| Nicht invertierende PWM. 
Der Ausgangspin wird gelöscht beim Hochzählen und gesetzt beim
Herunterzählen.
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| Invertierende PWM. 
Der Ausgangspin wird gelöscht beim Herunterzählen und gesetzt beim
Hochzählen.
|}

Der entsprechende Befehl, um beispielsweise den Timer/Counter als
nicht invertierenden 10-Bit PWM zu verwenden, heißt dann:

alte Schreibweise (PWMxx wird nicht mehr akzeptiert)
<c>
TCCR1A = (1<<PWM11)|(1<<PWM10)|(1<<COM1A1);
</c>
neue Schreibweise
<c>
TCCR1A = (1<<WGM11)|(1<<WGM10)|(1<<COM1A1);
</c>

Damit der Timer/Counter überhaupt läuft, müssen wir im Control
Register B '''TCCR1B''' noch den gewünschten Takt (Vorteiler) einstellen und
somit auch die Frequenz des '''PWM'''-Signals bestimmen.

{| class="wikitable"
|-
! CS12 || CS11 || CS10 || Bedeutung
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| Stop. Der Timer/Counter wird gestoppt.
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| CK
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| CK / 8
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| CK / 64
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| CK / 256
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| CK / 1024
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| Externer Pin 1, negative Flanke
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| Externer Pin 1, positive Flanke
|}

Also um einen Takt von CK / 1024 zu generieren, verwenden wir
folgenden Befehl:

<c>
TCCR1B = (1<<CS12) | (1<<CS10);
</c>

Jetzt muss nur noch der Vergleichswert festgelegt werden. Diesen
schreiben wir in das 16-Bit Timer/Counter Output Compare Register '''OCR1A'''.

<c>
OCR1A = xxx;
</c>

Die folgende Grafik soll den Zusammenhang zwischen dem Vergleichswert und dem generierten '''PWM'''-Signal aufzeigen.

[[Image:PWM Theorie 3.gif]]

[[Image:PWM Theorie 4.gif]]

Ach ja, fast hätte ich's vergessen. Das generierte '''PWM'''-Signal
wird am Output Compare Pin '''OC1''' des Timers ausgegeben und leider können wir
deshalb auch beim AT90S2313 nur ein einzelnes '''PWM'''-Signal mit dieser Methode generieren. Andere AVR-Typen verfügen über bis zu vier PWM-Ausgänge. Zu beachten ist außerdem, das wenn der OC Pin aktiviert ist, er nichtmehr wie üblich funktioniert und z. B. nicht einfach über PINx ausgelesen werden kann.

Ein Programm, welches an einem ATmega8 den Fast-PWM Modus verwendet, den Modus 14, könnte so aussehen
<C>
#include <avr/io.h>

int main()
{
// OC1A auf Ausgang
DDRB = (1 << PB1 ); //ATMega8
// DDRD = (1 << PD5 ); //ATMega16
//
// Timer 1 einstellen
//
// Modus 14:
// Fast PWM, Top von ICR1
//
// WGM13 WGM12 WGM11 WGM10
// 1 1 1 0
//
// Timer Vorteiler: 1
// CS12 CS11 CS10
// 0 0 1
//
// Steuerung des Ausgangsport: Set at BOTTOM, Clear at match
// COM1A1 COM1A0
// 1 0

TCCR1A = (1<<COM1A1) | (1<<WGM11);
TCCR1B = (1<<WGM13) | (1<<WGM12) | (1<<CS10);

// den Endwert (TOP) für den Zähler setzen
// der Zähler zählt bis zu diesem Wert

ICR1 = 0x6FFF;

// der Compare Wert
// Wenn der Zähler diesen Wert erreicht, wird mit
// obiger Konfiguration der OC1A Ausgang abgeschaltet
// Sobald der Zähler wieder bei 0 startet, wird der
// Ausgang wieder auf 1 gesetzt
//
// Durch Verändern dieses Wertes, werden die unterschiedlichen
// PWM Werte eingestellt.

OCR1A = 0x3FFF;

while (1) {}
}
</C>

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''PWM-Mode Tabelle aus dem Datenblatt des ATmega8515'''
|-
!Mode || WGM13 || WGM12 || WGM11 || WGM10 || Timer/Counter Mode of Operation
! TOP|| Update of OCR1x at || TOV1 Flag set on
|-
! 0
| 0
| 0
| 0
| 0
| Normal
| 0xFFFF
| Immediate
| MAX
|-
! 1
| 0
| 0
| 0
| 1
| PWM, Phase Correct, 8-Bit
| 0x00FF
| TOP
| BOTTOM
|-
! 2
| 0
| 0
| 1
| 0
| PWM, Phase Correct, 9-Bit
| 0x01FF
| TOP
| BOTTOM
|-
! 3
| 0
| 0
| 1
| 1
| PWM, Phase Correct, 10-Bit
| 0x03FF
| TOP
| BOTTOM
|-
! 4
| 0
| 1
| 0
| 0
| CTC
| OCR1A
| Immediate
| MAX
|-
! 5
| 0
| 1
| 0
| 1
| Fast PWM, 8-Bit
| 0x00FF
| BOTTOM
| TOP
|-
! 6
| 0
| 1
| 1
| 0
| Fast PWM, 9-Bit
| 0x01FF
| BOTTOM
| TOP
|-
! 7
| 0
| 1
| 1
| 1
| Fast PWM, 10-Bit
| 0x03FF
| BOTTOM
| TOP
|-
! 8
| 1
| 0
| 0
| 0
| PWM, Phase an Frequency Correct
| ICR1
| BOTTOM
| BOTTOM
|-
! 9
| 1
| 0
| 0
| 1
| PWM, Phase an Frequency Correct
| OCR1A
| BOTTOM
| BOTTOM
|-
! 10
| 1
| 0
| 1
| 0
| PWM, Phase Correct
| ICR1
| TOP
| BOTTOM
|-
! 11
| 1
| 0
| 1
| 1
| PWM, Phase an Frequency Correct
| OCR1A
| TOP
| BOTTOM
|-
! 12
| 1
| 1
| 0
| 0
| CTC
| ICR1
| Immediate
| MAX
|-
! 13
| 1
| 1
| 0
| 1
| Reserved
| -
| -
| -
|-
! 14
| 1
| 1
| 1
| 0
| Fast PWM
| ICR1
| BOTTOM
| TOP
|-
! 15
| 1
| 1
| 1
| 1
| Fast PWM
| OCR1A
| BOTTOM
| TOP
|}

Für Details der PWM-Möglichkeiten muss immer das jeweilge Datenblatt des Prozessors konsultiert werden, da sich die unterschiedlichen Prozessoren in ihren Möglichkeiten doch stark unterscheiden. Auch muss man aufpassen, welches zu setzende Bit in welchem Register ist. Auch hier kann es sein, dass gleichnamige Konfigurationsbits in unterschiedlichen Konfigurationsregistern (je nach konkretem Prozessortyp) sitzen.

= Warteschleifen (delay.h) =

Der Programmablauf kann verschiedene Arten von Wartefunktionen erfordern:

* Warten im Sinn von Zeitvertrödeln
* Warten auf einen bestimmten Zustand an den I/O-Pins
* Warten auf einen bestimmten Zeitpunkt (siehe Timer)
* Warten auf einen bestimmten Zählerstand (siehe Counter)

Der einfachste Fall, das Zeitvertrödeln, kann in vielen Fällen und mit großer Genauigkeit anhand der avr-libc Bibliotheksfunktionen _delay_ms() und _delay_us() erledigt werden. Die Bibliotheksfunktionen sind einfachen Zählschleifen (Warteschleifen) vorzuziehen, da leere Zählschleifen ohne besondere Vorkehrungen sonst bei eingeschalteter Optimierung vom avr-gcc-Compiler wegoptimiert werden. Weiterhin sind die Bibliotheksfunktionen bereits darauf vorbereitet, die in F_CPU definierte Taktfrequenz zu verwenden. Außerdem sind die Funktionen der Bibliothek wirklich getestet.

Einfach!? Schon, aber während gewartet wird, macht der µC nichts anderes mehr. Die Wartefunktion blockiert den Programmablauf. Möchte man einerseits warten, um z. B. eine LED blinken zu lassen und gleichzeitig andere Aktionen ausführen z. B. weitere LED bedienen, sollten die Timer/Counter des AVR verwendet werden.

Die Bibliotheksfunktionen funktionieren allerdings nur dann korrekt, wenn sie mit zur Übersetzungszeit (beim Compilieren) bekannten konstanten Werten aufgerufen werden. Der Quellcode muss mit eingeschalteter Optimierung übersetzt werden, sonst wird sehr viel Maschinencode erzeugt, und die Wartezeiten stimmen nicht mehr mit dem Parameter überein.

Abhängig von der Version der Bibliothek verhalten sich die Bibliotheksfunktionen etwas unterschiedlich.

== avr-libc Versionen kleiner 1.6 ==

Die Wartezeit der Funktion _delay_ms() ist auf 262,14ms/F_CPU (in MHz) begrenzt, d.h. bei 20 MHz kann man nur max. 13,1ms warten. Die Wartezeit der Funktion _delay_us() ist auf 768us/F_CPU (in MHz) begrenzt, d.h. bei 20 MHz kann man nur max. 38,4us warten. Längere Wartezeiten müssen dann über einen mehrfachen Aufruf in einer Schleife gelöst werden.

Beispiel: Blinken einer LED an PORTB Pin PB0 im ca. 1s Rhythmus
<c>
#include <avr/io.h>
#ifndef F_CPU
/* Definiere F_CPU, wenn F_CPU nicht bereits vorher definiert
(z. B. durch Übergabe als Parameter zum Compiler innerhalb
des Makefiles). Zusätzlich Ausgabe einer Warnung, die auf die
"nachträgliche" Definition hinweist */
#warning "F_CPU war noch nicht definiert, wird nun mit 3686400 definiert"
#define F_CPU 3686400UL /* Quarz mit 3.6864 Mhz */
#endif
#include <util/delay.h> /* in älteren avr-libc Versionen <avr/delay.h> */

/*
lange, variable Verzögerungszeit, Einheit in Millisekunden

Die maximale Zeit pro Funktionsaufruf ist begrenzt auf
262.14 ms / F_CPU in MHz (im Beispiel:
262.1 / 3.6864 = max. 71 ms)

Daher wird die kleine Warteschleife mehrfach aufgerufen,
um auf eine längere Wartezeit zu kommen. Die zusätzliche
Prüfung der Schleifenbedingung lässt die Wartezeit geringfügig
ungenau werden (macht hier vielleicht 2-3ms aus).
*/

void long_delay(uint16_t ms)
{
for(; ms>0; ms--) _delay_ms(1);
}

int main( void )
{
DDRB = ( 1 << PB0 ); // PB0 an PORTB als Ausgang setzen

while( 1 ) // Endlosschleife
{
PORTB ^= ( 1 << PB0 ); // Toggle PB0 z. B. angeschlossene LED
long_delay(1000); // Eine Sekunde warten...
}

return 0;
}
</c>

== avr-libc Versionen ab 1.6 ==

_delay_ms() kann mit einem Argument bis 6553,5 ms (= 6,5535 Sekunden) benutzt werden. Wird die früher gültige Grenze von 262,14 ms/F_CPU (in MHz) überschritten, so arbeitet _delay_ms() einfach etwas ungenauer und zählt nur noch mit einer Auflösung von 1/10 ms. Eine Verzögerung von 1000,10 ms ließe sich nicht mehr von einer von 1000,19 ms unterscheiden. Ein Verlust, der sich im Allgemeinen verschmerzen lässt. Dem Programmierer wird keine Rückmeldung gegeben, dass die Funktion ggf. gröber arbeitet, d.h. wenn es darauf ankommt, bitte den Parameter wie bisher geschickt wählen.

Die Funktion _delay_us() wurde ebenfalls erweitert. Wenn deren maximal als genau behandelbares Argument überschritten wird, benutzt diese intern _delay_ms(). Damit gelten in diesem Fall die _delay_ms() Einschränkungen.

Beispiel: Blinken einer LED an PORTB Pin PB0 im ca. 1s Rhythmus, avr-libc ab Version 1.6
<c>
#include <avr/io.h>
#ifndef F_CPU
/* Definiere F_CPU, wenn F_CPU nicht bereits vorher definiert
(z. B. durch Übergabe als Parameter zum Compiler innerhalb
des Makefiles). Zusätzlich Ausgabe einer Warnung, die auf die
"nachträgliche" Definition hinweist */
#warning "F_CPU war noch nicht definiert, wird nun mit 3686400 definiert"
#define F_CPU 3686400UL /* Quarz mit 3.6864 Mhz */
#endif
#include <util/delay.h>

int main( void )
{
DDRB = ( 1 << PB0 ); // PB0 an PORTB als Ausgang setzen

while( 1 ) { // Endlosschleife
PORTB ^= ( 1 << PB0 ); // Toggle PB0 z. B. angeschlossene LED
_delay_ms(1000); // Eine Sekunde +/-1/10000 Sekunde warten...
// funktioniert nicht mit Bibliotheken vor 1.6

}
return 0;
}
</c>

Die _delay_ms() und die _delay_us aus '''avr-libc 1.7.0''' sind fehlerhaft. _delay_ms () läuft 4x schneller als erwartet. Abhilfe ist eine korrigierte Includedatei: [http://www.mikrocontroller.net/topic/196738#1943039]

= Programmieren mit Interrupts =

<div style="float:right; margin:2em;">
[[Image:Interrupt Programme.gif]]
</div>
Nachdem wir nun alles Wissenswerte für die serielle Programmerstellung
gelernt haben nehmen wir jetzt ein völlig anderes Thema in Angriff, nämlich
die Programmierung unter Zuhilfenahme der Interrupts des AVR.

Als erstes wollen wir uns noch einmal den allgemeinen Programmablauf bei der
Interrupt-Programmierung zu Gemüte führen.

Man sieht, dass die Interruptroutine quasi parallel zum Hauptprogramm
abläuft. Da wir nur eine CPU haben ist es natürlich keine echte Parallelität,
sondern das Hauptprogramm wird beim Eintreffen eines Interrupts unterbrochen,
die Interruptroutine wird ausgeführt und danach erst wieder zum Hauptprogramm
zurückgekehrt.

Siehe auch

* [http://www.mikrocontroller.net/forum/read-1-235092.html#new Ausführlicher Thread im Forum]
* Artikel [[Interrupt]]
* Artikel [[Multitasking]]
{{Clear}}

== Anforderungen an Interrupt-Routinen ==

Um unliebsamen Überraschungen vorzubeugen, sollten einige Grundregeln bei der Implementierung der Interruptroutinen beachtet werden. Interruptroutinen sollten möglichst kurz und schnell abarbeitbar sein, daraus folgt:

* Keine umfangreichen Berechnungen innerhalb der Interruptroutine. (*)
* Keine langen Programmschleifen.
* Obwohl es möglich ist, während der Abarbeitung einer Interruptroutine andere oder sogar den gleichen Interrupt wieder zuzulassen, wird davon ohne genaue Kenntnis der internen Abläufe dringend abgeraten.

Interruptroutinen (ISRs) sollten also möglichst kurz sein und keine Schleifen mit vielen Durchläufen enthalten. Längere Operationen können meist in einen "Interrupt-Teil" in einer ISR und einen "Arbeitsteil" im Hauptprogramm aufgetrennt werden. Z.B. Speichern des Zustands aller Eingänge im EEPROM in bestimmten Zeitabständen: ISR-Teil: Zeitvergleich (Timer,RTC) mit Logzeit/-intervall. Bei Übereinstimmung ein globales Flag setzen (volatile bei Flag-Deklaration nicht vergessen, s.u.). Dann im Hauptprogramm prüfen, ob das Flag gesetzt ist. Wenn ja: die Daten im EEPROM ablegen und Flag löschen.

(*)
Hinweis:
Es gibt allerdings die seltene Situation, dass man gerade eingelesene
ADC-Werte sofort verarbeiten muss. Besonders dann, wenn man mehrere Werte sehr
schnell hintereinander bekommt. Dann bleibt einem nichts anderes übrig, als die
Werte noch in der ISR zu verarbeiten. Kommt aber sehr selten vor und sollte
durch geeignete Wahl des Systemtaktes bzw. Auswahl des Controllers vermieden werden!

== Interrupt-Quellen ==

Die folgenden Ereignisse können einen Interrupt auf einem AVR AT90S2313 auslösen, wobei die Reihenfolge der Auflistung auch die Priorität der Interrupts aufzeigt.

* Reset
* Externer Interrupt 0
* Externer Interrupt 1
* Timer/Counter 1 Capture Ereignis
* Timer/Counter 1 Compare Match
* Timer/Counter 1 Überlauf
* Timer/Counter 0 Überlauf
* UART Zeichen empfangen
* UART Datenregister leer
* UART Zeichen gesendet
* Analoger Komparator

Die Anzahl der möglichen Interruptquellen variiert zwischen den verschiedenen Microcontroller-Typen. Im Zweifel hilft ein Blick ins Datenblatt ("Interrupt Vectors").

== Register ==

Der AT90S2313 verfügt über 2 Register die mit den
Interrupts zusammen hängen.

{| class="wikitable"
|-
| '''GIMSK'''
| '''G'''eneral '''I'''nterrupt '''M'''ask '''R'''egister. 

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7 || 6|| 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| '''INT1''' || '''INT0''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-'''
|-
! R/W
| R/W || R/W || R || R || R || R || R || R
|-
! Initialwert
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0
|}

'''INT1''' (External '''Int'''errupt Request '''1''' Enable)
:Wenn dieses Bit gesetzt ist, wird ein Interrupt ausgelöst, wenn am '''INT1'''-Pin eine steigende oder fallende (je nach Konfiguration im '''MCUCR''') Flanke erkannt wird.
:Das Global Enable Interrupt Flag muss selbstverständlich auch gesetzt sein.
:Der Interrupt wird auch ausgelöst, wenn der Pin als Ausgang geschaltet ist. Auf diese Weise bietet sich die Möglichkeit, Software-Interrupts zu realisieren.

'''INT0''' (External '''Int'''errupt Request '''0''' Enable)
:Wenn dieses Bit gesetzt ist, wird ein Interrupt ausgelöst, wenn am '''INT0'''-Pin eine steigende oder fallende (je nach Konfiguration im '''MCUCR''') Flanke erkannt wird.
:Das Global Enable Interrupt Flag muss selbstverständlich auch gesetzt sein.
:Der Interrupt wird auch ausgelöst, wenn der Pin als Ausgang geschaltet ist. Auf diese Weise bietet sich die Möglichkeit, Software-Interrupts zu realisieren.

|-
| '''GIFR'''
| '''G'''eneral '''I'''nterrupt '''F'''lag '''R'''egister.

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7 || 6 || 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| '''INTF1''' || '''INTF0''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-'''
|-
! R/W
| R/W || R/W || R || R || R || R || R || R
|-
! Initialwert
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0
|}

'''INTF1''' (External '''Int'''errupt Flag '''1''')
:Dieses Bit wird gesetzt, wenn am '''INT1'''-Pin eine Interrupt-Kondition, entsprechend der Konfiguration, erkannt wird. Wenn das Global Enable Interrupt Flag gesetzt ist, wird die Interruptroutine angesprungen.
:Das Flag wird automatisch gelöscht, wenn die Interruptroutine beendet ist. Alternativ kann das Flag gelöscht werden, indem der Wert '''1(!)''' eingeschrieben wird.

'''INTF0''' (External '''Int'''errupt Flag '''0''')
:Dieses Bit wird gesetzt, wenn am '''INT0'''-Pin eine Interrupt-Kondition, entsprechend der Konfiguration, erkannt wird. Wenn das Global Enable Interrupt Flag gesetzt ist, wird die Interruptroutine angesprungen.
:Das Flag wird automatisch gelöscht, wenn die Interruptroutine beendet ist. Alternativ kann das Flag gelöscht werden, indem der Wert '''1(!)''' eingeschrieben wird.
|-
| '''MCUCR'''
| '''MCU''' '''C'''ontrol '''R'''egister.

Das MCU Control Register enthält Kontrollbits für allgemeine
MCU-Funktionen.

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7 || 6 || 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| '''-'''|| '''-'''|| '''SE'''|| '''SM'''|| '''ISC11'''|| '''ISC10'''|| '''ISC01'''|| '''ISC00'''
|-
! R/W
| R || R || R/W || R/W || R/W || R/W || R/W || R/W
|-
! Initialwert
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0

|}

'''SE''' ('''S'''leep '''E'''nable)
:Dieses Bit muss gesetzt sein, um den Controller mit dem '''SLEEP'''-Befehl in den Schlafzustand versetzen zu können.
:Um den Schlafmodus nicht irrtümlich einzuschalten, wird empfohlen, das Bit erst unmittelbar vor Ausführung des '''SLEEP'''-Befehls zu setzen.

'''SM''' ('''S'''leep '''M'''ode)
:Dieses Bit bestimmt der Schlafmodus.
:Ist das Bit gelöscht, so wird der '''Idle'''-Modus ausgeführt. Ist das Bit gesetzt, so wird der '''Power-Down'''-Modus ausgeführt. (für andere AVR Controller siehe Abschnitt "Sleep-Mode")

'''ISC11''', '''ISC10''' ('''I'''nterrupt '''S'''ense '''C'''ontrol '''1''' Bits)
:Diese beiden Bits bestimmen, ob die steigende oder die fallende Flanke für die Interrupterkennung am '''INT1'''-Pin ausgewertet wird.

:{| class="wikitable"
|-
! ISC11 || ISC10 || Bedeutung
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| Low Level an '''INT1''' erzeugt einen Interrupt.

Der Interrupt wird getriggert, solange der Pin auf 0 bleibt.
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| Reserviert
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| Die fallende Flanke an '''INT1''' erzeugt einen Interrupt.
|-
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| Die steigende Flanke an '''INT1''' erzeugt einen Interrupt.
|}

'''ISC01''', '''ISC00''' ('''I'''nterrupt '''S'''ense '''C'''ontrol '''0''' Bits)
:Diese beiden Bits bestimmen, ob die steigende oder die fallende Flanke für die Interrupterkennung am '''INT0'''-Pin ausgewertet wird.

:{| class="wikitable"
|-
! ISC01 || ISC00 || Bedeutung
|-
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| align="center" | 0
| Low Level an '''INT0''' erzeugt einen Interrupt.

Der Interrupt wird getriggert, solange der Pin auf 0 bleibt.
|-
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| Reserviert
|-
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| Die fallende Flanke an '''INT0''' erzeugt einen Interrupt.
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| Die steigende Flanke an '''INT0''' erzeugt einen Interrupt.
|}

|}

== Allgemeines über die Interrupt-Abarbeitung ==

Wenn ein Interrupt eintrifft, wird automatisch das '''Global Interrupt Enable''' Bit im Status Register '''SREG''' gelöscht und alle weiteren Interrupts unterbunden. Obwohl es möglich ist, zu diesem Zeitpunkt bereits wieder das GIE-bit zu setzen, wird dringend davon abgeraten. Dieses wird nämlich automatisch gesetzt, wenn die Interruptroutine beendet wird. Wenn in der Zwischenzeit weitere Interrupts eintreffen, werden die zugehörigen Interrupt-Bits gesetzt und die Interrupts bei Beendigung der laufenden Interrupt-Routine in der Reihenfolge ihrer Priorität ausgeführt. Dies kann
eigentlich nur dann zu Problemen führen, wenn ein hoch priorisierter Interrupt ständig und in kurzer Folge auftritt. Dieser sperrt dann möglicherweise alle anderen Interrupts mit niedrigerer Priorität. Dies ist einer der Gründe, weshalb die Interrupt-Routinen sehr kurz gehalten werden sollen.



== Interrupts mit dem AVR GCC Compiler (WinAVR) ==


Funktionen zur Interrupt-Verarbeitung werden in den Includedateien ''interrupt.h'' der avr-libc zur Verfügung gestellt (bei älterem Quellcode zusätzlich ''signal.h'').

<c>
// fuer sei(), cli() und ISR():
#include <avr/interrupt.h>
</c>

Das Makro '''sei()''' schaltet die Interrupts ein. Eigentlich wird nichts anderes gemacht, als das '''Global Interrupt Enable''' Bit im Status Register gesetzt.

<c>
sei();
</c>

Das Makro '''cli()''' schaltet die Interrupts aus, oder anders gesagt, das '''Global Interrupt Enable''' Bit im Status Register wird gelöscht.

<c>
cli();
</c>

Oft steht man vor der Aufgabe, dass eine Codesequenz nicht unterbrochen werden darf. Es liegt dann nahe, zu Beginn dieser Sequenz ein cli() und am Ende ein sei() einzufügen. Dies ist jedoch ungünstig, wenn die Interrupts vor Aufruf der Sequenz deaktiviert waren und danach auch weiterhin deaktiviert bleiben sollen. Ein sei() würde ungeachtet des vorherigen Zustands die Interrupts aktivieren, was zu unerwünschten Seiteneffekten führen kann. Die aus dem folgenden Beispiel ersichtliche Vorgehensweise ist in solchen Fällen vorzuziehen:

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <inttypes.h>

//...

void NichtUnterbrechenBitte(void)
{
uint8_t tmp_sreg; // temporaerer Speicher fuer das Statusregister

tmp_sreg = SREG; // Statusregister (also auch das I-Flag darin) sichern
cli(); // Interrupts global deaktivieren

/* hier "unterbrechnungsfreier" Code */

/* Beispiel Anfang
JTAG-Interface eines ATmega16 per Software deaktivieren
und damit die JTAG-Pins an PORTC für "general I/O" nutzbar machen
ohne die JTAG-Fuse-Bit zu aendern. Dazu ist eine "timed sequence"
einzuhalten (vgl Datenblatt ATmega16, Stand 10/04, S. 229):
Das JTD-Bit muss zweimal innerhalb von 4 Taktzyklen geschrieben
werden. Ein Interrupt zwischen den beiden Schreibzugriffen wuerde
die erforderliche Sequenz "brechen", das JTAG-Interface bliebe
weiterhin aktiv und die IO-Pins weiterhin für JTAG reserviert. */

MCUCSR |= (1<<JTD);
MCUCSR |= (1<<JTD); // 2 mal in Folge ,vgl. Datenblatt fuer mehr Information

/* Beispiel Ende */

SREG = tmp_sreg; // Status-Register wieder herstellen
// somit auch das I-Flag auf gesicherten Zustand setzen
}

void NichtSoGut(void)
{
cli();

/* hier "unterbrechnungsfreier" Code */

sei();
}

int main(void)
{
//...

cli();
// Interrupts global deaktiviert

NichtUnterbrechenBitte();
// auch nach Aufruf der Funktion deaktiviert

sei();
// Interrupts global aktiviert

NichtUnterbrechenBitte();
// weiterhin aktiviert
//...

/* Verdeutlichung der unguenstigen Vorgehensweise mit cli/sei: */
cli();
// Interrupts jetzt global deaktiviert

NichtSoGut();
// nach Aufruf der Funktion sind Interrupts global aktiviert
// dies ist mglw. ungewollt!
//...

}
</c>


Zu den aktivierten Interrupts ist eine Funktion zu programmieren, deren Code aufgerufen wird, wenn der betreffende Interrupt auftritt (Interrupt-Handler, Interrupt-Service-Routine). Dazu existiert die Definition (ein Makro) '''ISR'''.

=== ISR ===

(''ISR()'' ersetzt bei neueren Versionen der avr-libc ''SIGNAL()''. SIGNAL sollte nicht mehr genutzt werden, zur Portierung von SIGNAL nach ISR siehe den [[AVR-GCC-Tutorial#Anhang|Anhang]].)

<c>
#include <avr/interrupt.h>
//...
ISR(Vectorname) /* vormals: SIGNAL(siglabel) dabei Vectorname != siglabel ! */
{
/* Interrupt Code */
}
</c>

Mit ''ISR'' wird eine Funktion für die Bearbeitung eines Interrupts eingeleitet. Als Argument muss dabei die Benennung des entsprechenden Interruptvektors angegeben werden. Diese sind in den jeweiligen Includedateien IOxxxx.h zu finden. Die Bezeichnung entspricht dem Namen aus dem Datenblatt, bei dem die Leerzeichen durch Unterstriche ersetzt sind und ein ''_vect'' angehängt ist.

Als Beispiel ein Ausschnitt aus der Datei für den ATmega8 (bei WinAVR Standardinstallation in C:\WinAVR\avr\include\avr\iom8.h) in der neben den aktuellen Namen für ''ISR'' (*_vect) noch die Bezeichnungen für das inzwischen nicht mehr aktuelle ''SIGNAL'' (SIG_*) enthalten sind.

<c>
//...
/* $Id: iom8.h,v 1.13 2005/10/30 22:11:23 joerg_wunsch Exp $ */

/* avr/iom8.h - definitions for ATmega8 */
//...

/* Interrupt vectors */

/* External Interrupt Request 0 */
#define INT0_vect _VECTOR(1)
#define SIG_INTERRUPT0 _VECTOR(1)

/* External Interrupt Request 1 */
#define INT1_vect _VECTOR(2)
#define SIG_INTERRUPT1 _VECTOR(2)

/* Timer/Counter2 Compare Match */
#define TIMER2_COMP_vect _VECTOR(3)
#define SIG_OUTPUT_COMPARE2 _VECTOR(3)

/* Timer/Counter2 Overflow */
#define TIMER2_OVF_vect _VECTOR(4)
#define SIG_OVERFLOW2 _VECTOR(4)

/* Timer/Counter1 Capture Event */
#define TIMER1_CAPT_vect _VECTOR(5)
#define SIG_INPUT_CAPTURE1 _VECTOR(5)

/* Timer/Counter1 Compare Match A */
#define TIMER1_COMPA_vect _VECTOR(6)
#define SIG_OUTPUT_COMPARE1A _VECTOR(6)

/* Timer/Counter1 Compare Match B */
#define TIMER1_COMPB_vect _VECTOR(7)
#define SIG_OUTPUT_COMPARE1B _VECTOR(7)

//...
</c>


Mögliche Funktionsrümpfe für Interruptfunktionen sind zum Beispiel:

<c>
#include <avr/interrupt.h>
/* veraltet: #include <avr/signal.h> */

ISR(INT0_vect) /* veraltet: SIGNAL(SIG_INTERRUPT0) */
{
/* Interrupt Code */
}

ISR(TIMER0_OVF_vect) /* veraltet: SIGNAL(SIG_OVERFLOW0) */
{
/* Interrupt Code */
}

ISR(USART_RXC_vect) /* veraltet: SIGNAL(SIG_UART_RECV) */
{
/* Interrupt Code */
}

// und so weiter und so fort...
</c>

Auf die korrekte Schreibweise der Vektorbezeichnung ist zu achten. Der gcc-Compiler prüft erst ab Version 4.x, ob ein Signal/Interrupt der angegebenen Bezeichnung tatsächlich in der Includedatei definiert ist und gibt andernfalls eine Warnung aus. Bei WinAVR (ab 2/2005) wurde die Überprüfung auch in den mitgelieferten Compiler der Version 3.x integriert. Aus dem gcc-Quellcode Version 3.x selbst erstellte Compiler enthalten die Prüfung nicht (vgl. [[AVR-GCC]]).

Während der Ausführung der Funktion sind alle weiteren Interrupts automatisch gesperrt. Beim Verlassen der Funktion werden die Interrupts wieder zugelassen.

Sollte während der Abarbeitung der Interruptroutine ein weiterer Interrupt (gleiche oder andere Interruptquelle) auftreten, so wird das entsprechende Bit im zugeordneten Interrupt Flag Register gesetzt und die entsprechende Interruptroutine automatisch nach dem Beenden der aktuellen Funktion aufgerufen.

Ein Problem ergibt sich eigentlich nur dann, wenn während der Abarbeitung der aktuellen Interruptroutine mehrere gleichartige Interrupts auftreten. Die entsprechende Interruptroutine wird im Nachhinein zwar aufgerufen jedoch wissen wir nicht, ob nun der entsprechende Interrupt einmal, zweimal oder gar noch öfter aufgetreten ist. Deshalb soll hier noch einmal betont werden, dass Interruptroutinen so schnell wie nur irgend möglich wieder verlassen werden sollten.

=== Unterbrechbare Interruptroutinen ===

"Faustregel": im Zweifel '''ISR'''. Die nachfolgend beschriebene Methode nur dann verwenden, wenn man sich über die unterschiedliche Funktionsweise im Klaren ist.

<c>
#include <avr/interrupt.h>

ISR(XXX,ISR_NOBLOCK) /* veraltet: INTERRUPT(SIG_OVERFLOW0) */
{
/* Interrupt-Code */
}
</c>

Hierbei steht XXX für den oben beschriebenen Namen des Vektors (also z. B. ''TIMER0_OVF_vect''). Der Unterschied im Vergleich zu einer herkömmlichen ISR ist, dass hier beim Aufrufen der Funktion das '''Global Enable Interrupt''' Bit durch Einfügen einer SEI-Anweisung direkt wieder gesetzt und somit alle Interrupts zugelassen werden – auch XXX-Interrupts.

Bei unsachgemässer Handhabung kann dies zu erheblichen Problemen wie einem Stack-Overflow oder anderen unerwarteten Effekten führen und sollte wirklich nur dann eingesetzt werden, wenn man sich sicher ist, das Ganze auch im Griff zu haben.

Insbesondere sollte möglichst am ISR-Anfang die auslösende IRQ-Quelle deaktiviert und erst am Ende der ISR wieder aktiviert werden. Robuster als die Verwendung einer NOBLOCK-ISR ist daher folgender ISR-Aufbau:

<c>
#include <avr/interrupt.h>

ISR (XXX)
{
// Implementiere die ISR ohne zunaechst weitere IRQs zuzulassen

<<Dektiviere die XXX-IRQ>>

// Erlaube alle Interrupts (ausser XXX)
sei();

//... Code ...

// IRQs global deaktivieren um die XXX-IRQ wieder gefahrlos
// aktivieren zu koennen
cli();

<<Aktiviere die XXX-IRQ>>
}
</c>
Auf diese Weise kann sich die XXX-IRQ nicht selbst unterbrechen, was zu einer Art Endlosschleife führen würde.

Siehe auch: Hinweise in [[AVR-GCC]]

siehe dazu: http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__avr__interrupts.html

== Datenaustausch mit Interrupt-Routinen ==

Variablen, die sowohl in Interrupt-Routinen (ISR = Interrupt Service Routine(s)) als auch vom übrigen Programmcode geschrieben oder gelesen werden, müssen mit einem '''volatile''' deklariert werden. Damit wird dem Compiler mitgeteilt, dass der Inhalt der Variablen vor jedem Lesezugriff aus dem Speicher gelesen und nach jedem Schreibzugriff in den Speicher geschrieben wird. Ansonsten könnte der Compiler den Code so optimieren, dass der Wert der Variablen nur in Prozessorregistern zwischengespeichert wird, die nichts von der Änderung woanders mitbekommen.

Zur Veranschaulichung ein Codefragment für eine Tastenentprellung mit Erkennung einer "lange gedrückten" Taste.

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <stdint.h>
//...

// Schwellwerte
// Entprellung:
#define CNTDEBOUNCE 10
// "lange gedrueckt:"
#define CNTREPEAT 200

// hier z. B. Taste an Pin2 PortA "active low" = 0 wenn gedrueckt
#define KEY_PIN PINA
#define KEY_PINNO PA2

// beachte: volatile!
volatile uint8_t gKeyCounter;

// Timer-Compare Interrupt ISR, wird z.B. alle 10ms ausgefuehrt
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
// hier wird gKeyCounter veraendert. Die übrigen
// Programmteile müssen diese Aenderung "sehen":
// volatile -> aktuellen Wert immer in den Speicher schreiben
if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
if (gKeyCounter < CNTREPEAT) gKeyCounter++;
}
else {
gKeyCounter = 0;
}
}

//...

int main(void)
{
//...
/* hier: Initialisierung der Ports und des Timer-Interrupts */
//...
// hier wird auf gKeyCounter zugegriffen. Dazu muss der in der
// ISR geschriebene Wert bekannt sein:
// volatile -> aktuellen Wert immer aus dem Speicher lesen
if ( gKeyCounter > CNTDEBOUNCE ) { // Taste mind. 10*10 ms "prellfrei"
if (gKeyCounter == CNTREPEAT) {
/* hier: Code fuer "Taste lange gedrueckt" */
}
else {
/* hier: Code fuer "Taste kurz gedrueckt" */
}
}
//...
}
</c>

Wird innerhalb einer ISR mehrfach auf eine mit volatile deklarierte Variable zugegriffen, wirkt sich dies ungünstig auf die Verarbeitungsgeschwindigkeit aus, da bei jedem Zugriff mit dem Speicherinhalt abgeglichen wird. Da bei AVR-Controllern ''innerhalb'' einer ISR keine Unterbrechungen zu erwarten sind, bietet es sich an, einen Zwischenspeicher in Form einer lokalen Variable zu verwenden, deren Inhalt zu Beginn und am Ende mit dem der volatile Variable synchronisiert wird. Lokale Variable werden bei eingeschalteter Optimierung mit hoher Wahrscheinlichkeit in Prozessorregistern verwaltet und der Zugriff darauf ist daher nur mit wenigen internen Operationen verbunden. Die ISR aus dem vorherigen Beispiel lässt sich so optimieren:

<c>
//...
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
uint8_t tmp_kc;

tmp_kc = gKeyCounter; // Uebernahme in lokale Arbeitsvariable

if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
if (tmp_kc < CNTREPEAT) {
tmp_kc++;
}
}
else {
tmp_kc = 0;
}

gKeyCounter = tmp_kc; // Zurueckschreiben
}
//...
</c>

Zum Vergleich die Disassemblies (Ausschnitte der "lss-Dateien", compiliert für ATmega162) im Anschluss. Man erkennt den viermaligen Zugriff auf die Speicheraddresse von ''gKeyCounter'' (hier 0x032A) in der ISR ohne "Cache"-Variable und den zweimaligen Zugriff in der Variante mit Zwischenspeicher. Im Beispiel ist der Vorteil gering, bei komplexeren Routinen kann die Zwischenspeicherung in lokalen Variablen jedoch zu deutlicheren Verbesserungen führen.

<pre>
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
86a: 1f 92 push r1
86c: 0f 92 push r0
86e: 0f b6 in r0, 0x3f ; 63
870: 0f 92 push r0
872: 11 24 eor r1, r1
874: 8f 93 push r24
if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
876: ca 99 sbic 0x19, 2 ; 25
878: 0a c0 rjmp .+20 ; 0x88e <__vector_13+0x24>
if (gKeyCounter < CNTREPEAT) gKeyCounter++;
87a: 80 91 2a 03 lds r24, 0x032A
87e: 88 3c cpi r24, 0xC8 ; 200
880: 40 f4 brcc .+16 ; 0x892 <__vector_13+0x28>
882: 80 91 2a 03 lds r24, 0x032A
886: 8f 5f subi r24, 0xFF ; 255
888: 80 93 2a 03 sts 0x032A, r24
88c: 02 c0 rjmp .+4 ; 0x892 <__vector_13+0x28>
}
else {
gKeyCounter = 0;
88e: 10 92 2a 03 sts 0x032A, r1
892: 8f 91 pop r24
894: 0f 90 pop r0
896: 0f be out 0x3f, r0 ; 63
898: 0f 90 pop r0
89a: 1f 90 pop r1
89c: 18 95 reti
</pre>

<pre>
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
86a: 1f 92 push r1
86c: 0f 92 push r0
86e: 0f b6 in r0, 0x3f ; 63
870: 0f 92 push r0
872: 11 24 eor r1, r1
874: 8f 93 push r24
uint8_t tmp_kc;

tmp_kc = gKeyCounter;
876: 80 91 2a 03 lds r24, 0x032A

if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
87a: ca 9b sbis 0x19, 2 ; 25
87c: 02 c0 rjmp .+4 ; 0x882 <__vector_13+0x18>
87e: 80 e0 ldi r24, 0x00 ; 0
880: 03 c0 rjmp .+6 ; 0x888 <__vector_13+0x1e>
if (tmp_kc < CNTREPEAT) {
882: 88 3c cpi r24, 0xC8 ; 200
884: 08 f4 brcc .+2 ; 0x888 <__vector_13+0x1e>
tmp_kc++;
886: 8f 5f subi r24, 0xFF ; 255
}
}
else {
tmp_kc = 0;
}

gKeyCounter = tmp_kc;
888: 80 93 2a 03 sts 0x032A, r24
88c: 8f 91 pop r24
88e: 0f 90 pop r0
890: 0f be out 0x3f, r0 ; 63
892: 0f 90 pop r0
894: 1f 90 pop r1
896: 18 95 reti
</pre>

=== volatile und Pointer ===

Bei '''volatile''' in Verbindung mit Pointern ist zu beachten, ob der Pointer selbst oder die Variable, auf die der Pointer zeigt, '''volatile''' ist.

<c>
volatile uint8_t *a; // das Ziel von a ist volatile

uint8_t *volatile a; // a selbst ist volatile
</c>

Falls der Pointer volatile ist (zweiter Fall im Beispiel), ist zu beachten, dass der Wert des Pointers, also eine Speicheradresse, intern in mehr als einem Byte verwaltet wird. Lese- und Schreibzugriffe im Hauptprogramm (außerhalb von Interrupt-Routinen) sind daher so zu implementieren, dass alle Teilbytes der Adresse konsistent bleiben, vgl. dazu den folgenden Abschnitt.

=== Variablen größer 1 Byte ===

Bei Variablen größer ein Byte, auf die in Interrupt-Routinen und im Hauptprogramm zugegriffen wird, muss darauf geachtet werden, dass die Zugriffe auf die einzelnen Bytes außerhalb der ISR nicht durch einen Interrupt unterbrochen werden. (Allgemeinplatz: AVRs sind 8-bit Controller). Zur Veranschaulichung ein Codefragment:

<c>
//...
volatile uint16_t gMyCounter16bit;
//...
ISR(...)
{
//...
gMyCounter16Bit++;
//...
}

int main(void)
{
uint16_t tmpCnt;
//...
// nicht gut: Mglw. hier ein Fehler, wenn ein Byte von MyCounter
// schon in tmpCnt kopiert ist aber vor dem Kopieren des zweiten Bytes
// ein Interrupt auftritt, der den Inhalt von MyCounter verändert.
tmpCnt = gMyCounter16bit;

// besser: Änderungen "außerhalb" verhindern -> alle "Teilbytes"
// bleiben konsistent
cli(); // Interrupts deaktivieren
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
sei(); // wieder aktivieren

// oder: vorheriger Status des globalen Interrupt-Flags bleibt erhalten
uint8_t sreg_tmp;
sreg_tmp = SREG; /* Sichern */
cli()
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
SREG = sreg_tmp; /* Wiederherstellen */

// oder: mehrfach lesen, bis man konsistente Daten hat
uint16_t count1 = gMyCounter16Bit;
uint16_t count2 = gMyCounter16Bit;
while (count1 != count2) {
count1 = count2;
count2 = gMyCounter16Bit;
}
tmpCnt = count1;
//...
}
</c>

Die avr-libc bietet ab Version 1.6.0(?) einige Hilfsfunktionen/Makros, mit der im Beispiel oben gezeigten Funktionalität, die zusätzlich auch sogenannte [http://en.wikipedia.org/wiki/Memory_barrier memory barriers] beinhalten. Diese stehen nach #include <util/atomic.h> zur Verfügung.
<c>
//...
#include <util/atomic.h>
//...

// analog zu cli, Zugriff, sei:
ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_FORCEON) {
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
}

// oder:

// analog zu Sicherung des SREG, cli, Zugriff und Zurückschreiben des SREG:
ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_RESTORESTATE) {
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
}

//...
</c>

* siehe auch [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__util__atomic.html Dokumentation der avr-libc zu atomic.h]

== Interrupt-Routinen und Registerzugriffe ==

Falls Register sowohl im Hauptprogramm als auch in Interrupt-Routinen verändert werden, ist darauf zu achten, dass diese Zugriffe sich nicht überlappen. Nur wenige Anweisungen lassen sich in sogenannte "atomare" Zugriffe übersetzen, die nicht von Interrupt-Routinen unterbrochen werden können.

Zur Veranschaulichung eine Anweisung, bei der ein Bit und im Anschluss drei Bits in einem Register gesetzt werden:

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

int main(void)
{
//...
PORTA |= (1<<PA0);

PORTA |= (1<<PA2)|(1<<PA3)|(1<<PA4);
//...
}
</c>

Der Compiler übersetzt diese Anweisungen für einen ATmega128 bei Optimierungsstufe "S" nach:

<div class="code"><pre>
...
PORTA |= (1<<PA0);
d2: d8 9a sbi 0x1b, 0 ; 27 (a)

PORTA |= (1<<PA2)|(1<<PA3)|(1<<PA4);
d4: 8b b3 in r24, 0x1b ; 27 (b)
d6: 8c 61 ori r24, 0x1C ; 28 (c)
d8: 8b bb out 0x1b, r24 ; 27 (d)
...
</pre></div>

Das Setzen des einzelnen Bits wird bei eingeschalteter Optimierung für Register im unteren Speicherbereich in eine einzige Assembler-Anweisung (sbi) übersetzt und ist nicht anfällig für Unterbrechungen durch Interrupts. Die Anweisung zum Setzen von drei Bits wird jedoch in drei abhängige Assembler-Anweisungen übersetzt und bietet damit zwei "Angriffspunkte" für Unterbrechungen. Eine Interrupt-Routine könnte nach dem Laden des Ausgangszustands in den Zwischenspeicher (hier Register 24) den Wert des Registers ändern, z. B. ein Bit löschen. Damit würde der Zwischenspeicher nicht mehr mit dem tatsächlichen Zustand übereinstimmen aber dennoch nach der Bitoperation (hier ori) in das Register zurückgeschrieben.

Beispiel: PORTA sei anfangs 0b00000000. Die erste Anweisung (a) setzt Bit 0, PORTA ist danach 0b00000001. Nun wird im ersten Teil der zweiten Anweisung der Portzustand in ein Register eingelesen (b). Unmittelbar darauf (vor (c)) "feuert" ein Interrupt, in dessen Interrupt-Routine Bit 0 von PORTA gelöscht wird. Nach Verlassen der Interrupt-Routine hat PORTA den Wert 0b00000000. In den beiden noch folgenden Anweisungen des Hauptprogramms wird nun der zwischengespeicherte "alte" Zustand 0b00000001 mit 0b00011100 logisch-oder-verknüft (c) und das Ergebnis 0b00011101 in PortA geschrieben (d). Obwohl zwischenzeitlich Bit 0 gelöscht wurde, ist es nach (d) wieder gesetzt.

Lösungsmöglichkeiten:
* Register ohne besondere Vorkehrungen nicht in Interruptroutinen ''und'' im Hauptprogramm verändern.
* Interrupts vor Veränderungen in Registern, die auch in ISRs verändert werden, deaktivieren ("cli").
* Bits einzeln löschen oder setzen. sbi und cbi können nicht unterbrochen werden. Vorsicht: nur Register im unteren Speicherbereich sind mittels sbi/cbi ansprechbar. Der Compiler kann nur für diese sbi/cbi-Anweisungen generieren. Für Register außerhalb dieses Adressbereichs ("Memory-Mapped"-Register) werden auch zur Manipulation einzelner Bits abhängige Anweisungen erzeugt (lds,...,sts).

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Frequently asked Questions/Fragen Nr. 1 und 8. (Stand: avr-libc Vers. 1.0.4)

== Interruptflags löschen ==

Beim Löschen von Interruptflags haben AVRs eine Besonderheit, die auch im Datenblatt beschrieben ist: Es wird zum Löschen eine 1 in das betreffende Bit geschrieben.

Hinweis: Dazu '''nicht''' übliche bitweise VerODERung nehmen, sondern eine direkte Zuweisung machen ([http://www.mikrocontroller.net/topic/171148#1640133 Erklärung]).

== Was macht das Hauptprogramm? ==

Im einfachsten (Ausnahme-)Fall gar nichts mehr. Es ist also durchaus denkbar, ein Programm zu schreiben, welches in der main-Funktion lediglich noch die Interrupts aktiviert und dann in einer Endlosschleife verharrt. Sämtliche Funktionen werden dann in den ISRs abgearbeitet. Diese Vorgehensweise ist jedoch bei den meisten Anwendungen schlecht: man verschenkt eine Verarbeitungsebene und hat außerdem möglicherweise Probleme durch Interruptroutinen, die zu viel Verarbeitungszeit benötigen.

Normalerweise wird man in den Interruptroutinen nur die bei Auftreten des jeweiligen Interruptereignisses unbedingt notwendigen Operationen ausführen lassen. Alle weniger kritischen Aufgaben werden dann im Hauptprogramm abgearbeitet.

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Interrupts and Signals

= Sleep-Modes =

AVR Controller verfügen über eine Reihe von sogenannten [[Sleep Mode |''Sleep-Modes'']] ("Schlaf-Modi"). Diese ermöglichen es, Teile des Controllers abzuschalten. Zum Einen kann damit besonders bei Batteriebetrieb Strom gespart werden, zum Anderen können Komponenten des Controllers deaktiviert werden, die die Genauigkeit des Analog-Digital-Wandlers bzw. des Analog-Comparators negativ beeinflussen. Der Controller wird durch Interrupts aus dem Schlaf geweckt. Welche Interrupts den jeweiligen Schlafmodus beenden, ist einer Tabelle im Datenblatt des jeweiligen Controllers zu entnehmen.
Die Funktionen (eigentlich Makros) der avr-libc stehen nach Einbinden der header-Datei ''sleep.h'' zur Verfügung.

;set_sleep_mode (uint8_t mode): Setzt den Schlafmodus, der bei Aufruf von sleep() aktiviert wird. In sleep.h sind einige Konstanten definiert (z. B. SLEEP_MODE_PWR_DOWN). Die definierten Modi werden jedoch nicht alle von sämtlichten AVR-Controllern unterstützt.
;sleep_enable(): Aktiviert den gesetzten Schlafmodus, versetzt den Controller aber noch nicht in den Schlafmodus
;sleep_cpu(): Versetzt den Controller in den Schlafmodus .sleep_cpu wird im Prinzip durch die Assembler-Anweisung ''sleep'' ersetzt.
;sleep_disable(): Deaktiviert den gesetzten Schlafmodus
;sleep_mode(): Versetzt den Controller in den mit set_sleep_mode gewählten Schlafmodus. Das Makro entspricht sleep_enable()+sleep_cpu()+sleep_disable(), beinhaltet also nicht die Aktivierung von Interrupts (besser nicht benutzen).

Bei Anwendung von sleep_cpu() müssen Interrupts also bereits freigeben sein (sei()), da der Controller sonst nicht mehr "aufwachen" kann. sleep_mode() ist nicht geeignet für die Verwendung in ISR Interrupt-Service-Routinen, da bei deren Abarbeitung Interrupts global deaktiviert sind und somit auch die möglichen "Aufwachinterrupts". Abhilfe: stattdessen sleep_enable(), sei(), sleep_cpu(), sleep_disable() und evtl. cli() verwenden (vgl. Dokumentation der avr-libc).

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/sleep.h>

int main(void)
{
...

while (1) {
...
set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);
sleep_mode();

// Code hier wird erst nach Auftreten eines entsprechenden
// "Aufwach-Interrupts" verarbeitet
...
}
}
</c>

In älteren Versionenen der avr-libc wurden nicht alle AVR-Controller durch die sleep-Funktionen richtig angesteuert. Mit avr-libc 1.2.0 wurde die Anzahl der unterstützten Typen jedoch deutlich erweitert. Bei nicht-unterstützten Typen erreicht man die gewünschte Funktionalität durch direkte "[[Bitmanipulation]]" der entsprechenden Register (vgl. Datenblatt) und Aufruf des Sleep-Befehls via Inline-Assembler oder sleep_cpu():

<c>
#include <avr/io.h>
...
// Sleep-Mode "Power-Save" beim ATmega169 "manuell" aktivieren
SMCR = (3<<SM0) | (1<<SE);
asm volatile ("sleep"::); // alternativ sleep_cpu() aus sleep.h
...
</c>

== Sleep Modi ==
Zu beachten ist, dass unterschiedliche Prozessoren aus der AVR Familie unterschiedliche Sleep-Modi unterstützen oder nicht unterstützen. Auskunft über die tatsächlichen Gegebenheiten gibt, wie immer, das zum Prozessor gehörende Datenblatt. Die unterschiedlichen Modi unterscheiden sich dadurch, welche Bereiche des Prozessors abgeschaltet werden. Damit korrespondiert unmittelbar welche Möglichkeiten es gibt, den Prozessor aus den jeweiligen Sleep Modus wieder aufzuwecken.

;Idle Mode (SLEEP_MODE_IDLE): Die CPU kann durch SPI, USART, Analog Comperator, ADC, TWI, Timer, Watchdog und irgendeinen anderen Interrupt wieder aufgeweckt werden.

;ADC Noise Reduction Mode (SLEEP_MODE_ADC): In diesem Modus liegt das Hauptaugenmerk darauf, die CPU soweit stillzulegen, dass der ADC möglichst keine Störungen aus dem inneren der CPU auffangen kann. Aufwachen aus diesem Modus kann ausgelöst werden durch den ADC, externe Interrupts, TWI, Timer und Watchdog.

;Power-Down Mode (SLEEP_MODE_PWR_DOWN): In diesem Modus wird ein externer Oszillator (Quarz, Quarzoszillator) gestoppt. Geweckt werden kann die CPU durch einen externen Level Interrupt, TWI, Watchdog, Brown-Out-Reset

;Power-Save-Mode (SLEEP_MODE_PWR_SAVE): Power-Save ist identisch zu Power-Down mit einer Ausnahme: Ist der Timer 2 auf die Verwendung eines externen Taktes konfiguriert, so läuft dieser Timer auch im Power-Save weiter und kann die CPU mit einem Interrupt aufwecken.

;Standby-Mode (SLEEP_MODE_STANDBY, SLEEP_MODE_EXT_STANDBY): Voraussetzung für den Standby-Modus ist die Verwendung eines Quarzes oder eines Quarzoszillators (also einer externen Taktquelle). Ansonsten ist dieser Modus identisch zum Power-Down Modus. Vorteil dieses Modus ist eine kürzere Aufwachzeit.

Siehe auch:
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Power Management and Sleep-Modes
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/96369#832712 Forenbeitrag] zur "Nichtverwendung" von sleep_mode in ISRs.

= Zeiger =
Zeiger (engl. /pointer/), d.h. Variablen, die die Adresse von Daten oder Funktionen enthalten, belegen 16 bits. Das hängt mit dem addressierbaren Speicherbereich zusammen, und gcc reserviert dann den entsprechenden Platz.
Ggf. ist es also günstiger, Indizes auf Arrays (Listen) zu verwenden, so dass der GCC für die Zeigerarithmetik den erforderlichen RAM nur temporär benötigt.

Siehe auch: [[Zeiger]]

= Speicherzugriffe =

Atmel AVR-Controller verfügen typisch über drei Speicher:

* [[RAM]]: Im RAM (genauer statisches RAM/SRAM) wird vom gcc-Compiler Platz für Variablen reserviert. Auch der Stack befindet sich im RAM. Dieser Speicher ist "flüchtig", d.h. der Inhalt der Variablen geht beim Ausschalten oder einem Zusammenbruch der Spannungsversorgung verloren.

* Programmspeicher: Ausgeführt als FLASH-Speicher, seitenweise wiederbeschreibbar. Darin ist das Anwendungsprogramm abgelegt.

* [[EEPROM]]: Nichtflüchtiger Speicher, d.h. der einmal geschriebene Inhalt bleibt auch ohne Stromversorgung erhalten. Byte-weise schreib/lesbar. Im EEPROM werden typischerweise gerätespezifische Werte wie z. B. Kalibrierungswerte von Sensoren abgelegt.

Einige AVRs besitzen keinen RAM-Speicher, lediglich die Register können als "Arbeitsvariablen"
genutzt werden. Da die Anwendung des avr-gcc auf solch "kleinen" Controllern ohnehin selten sinnvoll ist und auch nur bei einigen RAM-losen Typen nach [http://lightner.net/avr/ATtinyAvrGcc.html "Bastelarbeiten"] möglich ist, werden diese Controller hier nicht weiter berücksichtigt. Auch EEPROM-Speicher ist nicht auf allen Typen verfügbar. Generell sollten die nachfolgenden Erläuterungen auf alle ATmega-Controller und die größeren AT90-Typen übertragbar sein. Für die Typen ATtiny2313, ATtiny26 und viele weitere der "ATtiny-Reihe" gelten die Ausführungen ebenfalls.

Siehe auch:
* [[Binäre Daten zum Programm hinzufügen]]
== RAM ==

Die Verwaltung des RAM-Speichers erfolgt durch den Compiler, im Regelfall ist beim Zugriff auf Variablen im RAM nichts Besonderes zu beachten. Die Erläuterungen in jedem brauchbaren C-Buch gelten auch für den vom avr-gcc-Compiler erzeugten Code.

Um Speicher dynamisch (während der Laufzeit) zu reservieren, kann '''malloc()''' verwendet werden. malloc(size) "alloziert" (~reserviert) einen gewissen Speicherblock mit '''size''' Bytes. Ist kein Platz für den neuen Block, wird NULL (0) zurückgegeben.

Wird der angelegte Block zu klein (groß), kann die Größe mit realloc() verändert werden. Den allozierten Speicherbereich kann man mit free() wieder freigeben. Wenn das Freigeben eines Blocks vergessen wird spricht man von einem "Speicherleck" (memory leak).

malloc() legt Speicherblöcke im '''Heap''' an, belegt man zuviel Platz, dann wächst der Heap zu weit nach oben und überschreibt den Stack, und der Controller kommt in Teufels Küche. Das kann leider nicht nur passieren wenn man insgesamt zu viel Speicher anfordert, sondern auch wenn man Blöcke unterschiedlicher Größe in ungünstiger Reihenfolge alloziert/freigibt (siehe Artikel [[Heap-Fragmentierung]]). Aus diesem Grund sollte man malloc() auf Mikrocontrollern sehr sparsam (am besten gar nicht) verwenden.

Beispiel zur Verwendung von malloc():
<c>
#include <stdlib.h>

void foo(void) {
// neuen speicherbereich anlegen,
// platz für 10 uint16
uint16_t* pBuffer = malloc(10 * sizeof(uint16_t));

// darauf zugreifen, als wärs ein gewohnter Buffer
pBuffer[2] = 5;

// Speicher (unbedingt!) wieder freigeben
free(pBuffer);
}
</c>

Wenn (wie in obigem Beispiel) dynamischer Speicher nur für die Dauer einer Funktion benötigt und am Ende wieder freigegeben wird, bietet es sich an, statt malloc() '''alloca()''' zu verwenden. Der Unterschied zu malloc() ist, dass der Speicher auf dem Stack reserviert wird, und beim Verlassen der Funktion automatisch wieder freigegeben wird. Es kann somit kein Speicherleck und keine Fragmentierung entstehen.

siehe auch:
* http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/malloc.html

== Programmspeicher (Flash) ==

Ein Zugriff auf Konstanten im Programmspeicher ist mittels avr-gcc nicht "transparent" möglich. D.h. es sind besondere Zugriffsfunktionen erforderlich, um Daten aus diesem Speicher zu lesen. Grundsätzlich basieren alle Zugriffsfunktionen auf der Assembler-Anweisung lpm (load program memory, bei AVR Controllern mit mehr als 64kB Flash auch elpm). Die Standard-Laufzeitbibliothek des avr-gcc (die avr-libc) stellt diese Funktionen nach Einbinden der Header-Datei pgmspace.h zur Verfügung. Mit diesen Funktionen können einzelne Bytes, Datenworte (16bit) und Datenblöcke gelesen werden.

Deklarationen von Variablen im Flash-Speicher werden durch das "Attribut" PROGMEM ergänzt. Lokale Variablen (eigentlich Konstanten) innerhalb von Funktionen können ebenfalls im Programmspeicher abgelegt werden. Dazu ist bei der Definition jedoch ein ''static'' voranzustellen, da solche "Variablen" nicht auf dem Stack bzw. (bei Optimierung) in Registern verwaltet werden können. Der Compiler "wirft" eine Warnung falls static fehlt.

<c>
#include <stdint.h>
#include <avr/pgmspace.h>

/* Byte */
const uint8_t pgmFooByte PROGMEM = 123;

/* Wort */
const uint16_t pgmFooWort PROGMEM = 12345;

/* Byte-Array */
const uint8_t pgmFooByteArray1[] PROGMEM = { 18, 3 ,70 };
const uint8_t pgmFooByteArray2[] PROGMEM = { 30, 7 ,79 };

/* Zeiger */
const uint8_t * const pgmPointerToArray1 PROGMEM = pgmFooByteArray1;
const uint8_t * const pgmPointerArray[] PROGMEM = { pgmFooByteArray1, pgmFooByteArray2 };

void foo(void)
{
static const uint8_t pgmTestByteLocal PROGMEM = 0x55;
static const char pgmTestStringLocal[] PROGMEM = "im Flash";
// so nicht (static fehlt)
// char pgmTestStringLocalFalsch [] PROGMEM = "so nicht";
}
</c>

=== Byte lesen ===

Mit der Funktion pgm_read_byte aus pgmspace.h erfolgt der Zugriff auf die Daten. Parameter der Funktion ist die Adresse des Bytes im Flash-Speicher.

<c>
#include <avr/pgmspace.h>

const uint8_t pgmFooByte PROGMEM = 123;
const uint8_t pgmFooByteArray1[] PROGMEM = { 18, 3, 70 };

void foo (coid)
// Wert der Ram-Variablen myByte auf den Wert von pgmFooByte setzen:
uint8_t myByte;

myByte = pgm_read_byte (&pgmFooByte);
// myByte hat nun den Wert 123

// Schleife ueber ein Array aus Byte-Werten im Flash
uint8_t i;

for (i = 0; i < 3; i++)
{
myByte = pgm_read_byte (&pgmFooByteArray1[i]);
// mach was mit myByte
}
</c>

=== Wort lesen ===

Für "einfache" 16-Bit breite Variablen erfolgt der Zugriff analog zum Byte-Beispiel, jedoch mit der Funktion <code>pgm_read_word</code>:

<c>
const uint16_t pgmFooWort PROGMEM = 12345;

uint16_t myWord = pgm_read_word (&pgmFooWort);
</c>

Zeiger auf Werte im Flash sind ebenfalls 16 Bits "groß".
Damit ist der mögliche Speicherbereich für "Flash-Konstanten" auf 64kB begrenzt.<ref>Einige avr-libc/pgmspace-Funktionen ermöglichen den Lesezugriff auf den gesamten Flash-Speicher, intern via Assembler Anweisung ELPM. Die Initialisierungswerte des Speicherinhalts jenseits der 64kB-Marke müssen dann jedoch auf anderem Weg angelegt werden, d.h. nicht per PROGMEM; evtl. eigene Section und Linker-Optionen. Alt und nicht ganz korrekt: Die avr-libc pgmspace-Funktionen unterstützen nur die unteren 64kB Flash bei Controllern mit mehr als 64kB.</ref>

<c>
const uint8_t *ptrToArray;

ptrToArray = (const uint8_t*) pgm_read_word (&pgmPointerToArray1);
// ptrToArray enthält nun die Startadresse des Byte-Arrays pgmFooByteArray1
// Allerdings würde ein direkter Zugriff mit diesem Pointer (z. B. temp=*ptrToArray)
// nicht den Inhalt von pgmFooByteArray1[0] liefern, sondern von einer Speicherstelle
// im RAM, die die gleiche Adresse hat wie pgmFooByteArray1[0]
// Daher muss nun die Funktion pgm_read_byte() benutzt werden, die die in ptrToArray
// enthaltene Adresse benutzt und auf das Flash zugreift.

for (i = 0; i < 3; i++)
{
myByte = pgm_read_byte (ptrToArray+i);
// mach was mit myByte... (18, 3, 70)
}

ptrToArray = (const uint8_t*) pgm_read_word (&pgmPointerArray[1]);

// ptrToArray enthält nun die Adresse des ersten Elements des Byte-Arrays pgmFooByteArray2
// da im zweiten Element des Pointer-Arrays pgmPointerArray die Adresse
// von pgmFooByteArray2 abgelegt ist

for (i = 0; i < 3; i++)
{
myByte = pgm_read_byte (ptrToArray+i);
// mach was mit myByte... (30, 7, 79)
}
</c>

=== Block lesen ===
In den Standard-Flash Funktionen ist keine der pgm_read_xxxx Nomenklatur folgenden Funktion enthalten, die einen kompletten Block ausliest. Die enstprechende Funktion ist eine Variante von memcpy und heißt memcpy_P().

Was diese Funktion im Prinzip macht, ist einfach in einer Schleife pgm_read_byte zu benutzen, um einen Speicherblock von der Quelladresse im Flash an eine Zieladresse im SRAM zu kopieren.

<c>
void pgm_read_block( uint8_t* pTarget, const uint8_t* pSource, size_t len )
{
size_t i;

for( i = 0; i < len; ++i )
*pTarget++ = pgm_read_byte( pSource++ );
}
</c>

Damit ist es dann natürlich kein Problem mehr ganze Arrays oder Strukturen aus dem Flash in das SRAM zu übertragen.

=== Strings lesen ===
Strings sind in C nichts anderes als eine Abfolge von Zeichen. Der prinzipielle Weg ist daher identisch zu "Bytes lesen", wobei allerdings auf die [http://www.mikrocontroller.net/articles/FAQ#Wie_funktioniert_String-Verarbeitung_in_C.3F Besonderheiten von Strings] wie 0-Terminierung geachtet werden muss, bzw. diese zur Steuerung einer Schleife über die Zeichen im String ausgenutzt werden kann

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/pgmspace.h>

const char pgmString[] PROGMEM = "Hello world";

int main()
{
char c;
const char* addr;

addr = pgmString;
while (c = pgm_read_byte (addr++), c != '\0')
{
// mach was mit c
}
}
</c>

Zur Unterstützung des Programmierers steht das Repertoir der str-Funktionen auch in jeweils eine Variante zur Verfügung, die mit dem Flash-Speicher arbeiten kann. Die Funktionsnamen tragen den Suffix <tt>_P</tt>.

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/pgmspace.h>

const char pgmString[] PROGMEM = "Hallo world";

void foo (void)
{
char string[40];

strcpy_P (string, pgmString);
}
</c>

=== Float lesen ===

Auch um floats zu lesen gibt es ein Makro:

<c>
float pgmFloatArray[3] PROGMEM = {1.1, 2.2, 3.3};

void read_float (void)
{
int i;
float f;

for (i=0; i<3; i++)
{
// entspricht f = pgmFloatArray[i];
f = pgm_read_float (&pgmFloatArray[i]);
// mach was mit f
}
}
</c>

TODO: Beispiele für structs und pointer aus Flash auf struct im Flash (menues, state-machines etc.). Eine kleine Einleitung insbesondere auch in Bezug auf die auftretenden Schwierigkeiten liefert [http://www.mail-archive.com/avr-gcc-list@nongnu.org/msg05652.html].

=== Array aus Strings im Flash-Speicher ===

Arrays aus Strings im Flash-Speicher werden in zwei Schritten angelegt: Zuerst die einzelnen Elemente des Arrays und im Anschluss ein Array, in dem die Startaddressen der Strings abgelegt werden. Zum Auslesen wird zuerst die Adresse des i-ten Elements aus dem Array im Flash-Speicher gelesen, die im Anschluss dazu genutzt wird, auf das Element (den String) selbst zuzugreifen.

<c>
#include <stdint.h>
#include <avr/pgmspace.h>

const char str1[] PROGMEM = "first_A";
const char str2[] PROGMEM = "second_A";
const char str3[] PROGMEM = "third_A";

const char * const strarray1[] PROGMEM =
{
str1,
str2,
str3
};

static char work[20];

void read_strings (void)
{
size_t i;

for (i = 0; i < sizeof (strarray1) / sizeof (strarray1[0]); i++)
{
size_t j, len;

// setze Pointer auf die Addresse des i-ten Elements des
// Flash-Arrays (str1, str2, ...)
const char *pstrflash = (const char*) pgm_read_word (&strarray1[i]);

// kopiere den Inhalt der Zeichenkette von der
// in pstrflash abgelegten Adresse in das work-Array
// analog zu strcpy( work, strarray1[i]) wenn alles im RAM
strcpy_P (work, pstrflash);

// Gleichbedeutend damit:
strcpy_P (work, (const char*) pgm_read_word (&strarray1[i]));

// Zeichen-fuer-Zeichen
len = strlen_P (&strarray1[i]);

// <= da auch das Stringende-Zeichen kopiert werden soll
for (j = 0; j <= len; j++)
{
// analog zu work[j] = strarray[i][j] wenn alles im RAM
work[i] = (char) pgm_read_byte (pstrflash++);
}
}
}
</c>

Siehe dazu auch die avr-libc FAQ: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/FAQ.html#faq_rom_array How do I put an array of strings completely in ROM?]

=== Vereinfachung für Zeichenketten (Strings) im Flash ===

Zeichenketten können innerhalb des Quellcodes als "Flash-Konstanten" ausgewiesen werden. Dazu dient das Makro PSTR aus pgmspace.h. Dies erspart die getrennte Deklaration mit PROGMEM-Attribut.

<c>
#include <string.h>
#include <avr/pgmspace.h>

#define MAXLEN 30

char StringImFlash[] PROGMEM = "Erwin Lindemann";
char StringImRam[MAXLEN];

void read_string (void)
{
strcpy (StringImRam, "Mueller-Luedenscheidt");

if (!strncmp_P (StringImRam, StringImFlash, 5))
{
// mach was, wenn die ersten 5 Zeichen identisch - hier nicht
}
else
{
// der Code hier wuerde ausgefuehrt
}

if (!strncmp_P (StringImRam, PSTR("Mueller-Schmitt"), 5))
{
// der Code hier wird ausgefuehrt, wenn die ersten
// 5 Zeichen uebereinstimmen
}
else
{
// wird bei Nicht-Uebereinstimmung ausgefuehrt
}
}
</c>

Aber Vorsicht: Ersetzt man zum Beispiel
<c>
// Daten im "Flash"
const char flashText[] PROGMEM = "mit[]";
</c>
durch
<c>
// Hier wird "mit*" im RAM angelegt und flashPointer
// enthaelt die Adresse
const char* const flashPointer PROGMEM = "mit*";
</c>
dann kann es zu Problemen kommen.

Übergibt man Zeichenketten, die im Flash abglegt sind an eine Funktion – also die Adresse des ersten Zeichens – so muss die Funktion entsprechend programmiert sein. Die Funktion selbst hat keine Möglichkeit zu unterscheiden, ob es sich um eine Flash-Adresse oder ein RAM-Adresse handelt. Die avr-libc und viele andere avr-gcc-Bibliotheken halten sich an die Konvention, dass Namen von Funktionen, die Flash-Adressen erwarten, mit dem Suffix <code>_P</code> versehen sind.

Eine Funktion, die einen im Flash abgelegten String z. B. an eine UART ausgibt, würde dann so aussehen:

<c>
void uart_puts_p (const char *text)
{
char zeichen;

while ((zeichen = pgm_read_byte (text)))
{
// so lange, wie mittels pgm_read_byte nicht das Stringende
// gelesen wurde: gib dieses Zeichen aus

uart_putc (Zeichen);
text++;
}
}
</c>

Von einigen Bibliotheken werden Makros definiert, die "automatisch" ein PSTR bei Verwendung einer Funktion einfügen. Ein Blick in den Header-File der Bibliothek zeigt, ob dies der Fall ist. Ein Beispiel aus P. Fleurys lcd-Library:

<c>
// Ausschnitt aus dem Header-File lcd.h der "Fleury-LCD-Lib."
extern void lcd_puts_p (const char *progmem_s);
#define lcd_puts_P(__s) lcd_puts_p(PSTR(__s))

// in einer Anwendung
#include <avr/pgmspace.h>
#include <string.h>
#include "lcd.h"

const char StringImFlash[] PROGMEM = "Erwin Lindemann";

void my_write (coid)
{
lcd_puts_p (StringImFlash);
lcd_puts_P ("Dr. Kloebner");
}</c>

=== Flash in der Anwendung schreiben ===

Bei AVRs mit "self-programming"-Option – auch bekannt als [[Bootloader]]-Support – können Teile des Flash-Speichers vom Anwendungsprogramm beschrieben werden. Dies ist nur möglich, wenn die Schreibfunktion in einem besonderen Speicherbereich, der boot-section des Programmspeichers/Flash, abgelegt ist.

Bei einigen kleinen AVRs gibt es keine gesonderte Boot-Section, bei diesen kann der Flashspeicher von jeder Stelle des Programms geschrieben werden. Für Details sei hier auf das jeweilige Controller-Datenblatt und die Erläuterungen zum Modul boot.h der avr-libc verwiesen. Es existieren auch Application-Notes dazu bei atmel.com, die auf avr-gcc-Code übertragbar sind.

Siehe auch:
* Forumsbeitrag [http://www.mikrocontroller.net/topic/163632#1561622 Daten in Programmspeicher speichern]

=== Warum so kompliziert? ===

Zu dem Thema, warum die Verabeitung von Werten aus dem Flash-Speicher so kompliziert ist, sei hier nur kurz erläutert: Die Harvard-Architektur des AVR weist getrennte Adressräume für Programm(Flash)- und Datenspeicher(RAM) auf. Der C-Standard und der gcc-Compiler sehen keine unterschiedlichen Adressräume vor.

Hat man zum Beispiel eine Funktion string_an_uart(const char* s) und übergibt an diese Funktion die Adresse einer Zeichenkette, z. B. 0x01fe, weiß die Funktion nicht, ob die Adresse auf den Flash-Speicher oder den/das RAM zeigt. Allein aus dem Pointer-Wert, also dem Zahlenwert, kann nicht auf den Ort der Ablage geschlossen werden.

Einige AVR-Compiler bilden die Harvard-Architektur ab, indem sie in einen Pointer nicht nur die Adresse speichern, sondern auch den Ablageort wie ''Flash'' oder ''RAM''. In einem Aufruf einer Funktion wird dann bei Pointer-Parametern neben der Adresse auch der Speicherbereich, auf den der Pointer zeigt, übergeben. Dies hat jedoch auch Nachteile, denn bei jeden Zugriff über einen Zeiger muss zur ''Laufzeit'' entschieden werden, wie der Zugriff auszuführen ist und entsprechend länglicher und langsamer kann Code ausgeführt werden.

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitte Modules/Program Space String Utilities und Abschnitt Modules/Bootloader Support Utilities

== EEPROM ==

Man beachte, dass der EEPROM-Speicher nur eine begrenzte Anzahl von Schreibzugriffen zulässt. Beschreibt man eine EEPROM-Zelle öfter als die im Datenblatt zugesicherte Anzahl (typisch 100.000), wird die Funktion der Zelle nicht mehr garantiert.
Dies gilt für jede einzelne Zelle. Bei geschickter Programmierung (z. B. Ring-Puffer), bei der die zu beschreibenden Zellen regelmäßig gewechselt werden, kann man eine deutlich höhere Anzahl an Schreibzugriffen, bezogen auf den Gesamtspeicher, erreichen.

Schreib- und Lesezugriffe auf den EEPROM-Speicher erfolgen über die im Modul eeprom.h definierten Funktionen. Mit diesen Funktionen können einzelne Bytes, Datenworte (16bit) und Datenblöcke geschrieben und gelesen werden.

Bei Nutzung des EEPROMs ist zu beachten, dass vor dem Zugriff auf diesen Speicher abgefragt wird, ob der Controller die vorherige EEPROM-Operation abgeschlossen hat. Die avr-libc-Funktionen beinhalten diese Prüfung, man muss sie nicht selbst implementieren. Man sollte auch verhindern, dass der Zugriff durch die Abarbeitung einer Interrupt-Routine unterbrochen wird, da bestimme Befehlsabfolgen vorgegeben sind, die innerhalb weniger Taktzyklen aufeinanderfolgen müssen ("timed sequence"). Auch dies muss bei Nutzung der Funktionen aus der avr-libc/eeprom.h-Datei nicht selbst implementiert werden. Innerhalb der Funktionen werden Interrupts vor der "EEPROM-Sequenz" global deaktiviert und im Anschluss, falls vorher auch schon eingeschaltet, wieder aktiviert.

Um eine Variable im EEPROM anzulegen, stellt die avr-libc das Makro EEMEM zur Verfügung<ref>In älteren Versionen der avr-libc ist EEMEM noch nicht vorhanden, und man kann sich folgendermassen behelfen:
<c>
#include <avr/eeprom.h>

#ifndef EEMEM
#define EEMEM __attribute__((section (".eeprom")))
#endif
</c></ref>, das analog zu PROGMEM verwendet wird.

<c>
#include <stdint.h>
#include <avr/eeprom.h>

/* Byte */
uint8_t eeFooByte EEMEM = 123;

/* Wort */
uint16_t eeFooWord EEMEM = 12345;

/* float */
float eeFooFloat EEMEM;

/* Byte-Array */
uint8_t eeFooByteArray1[] EEMEM = { 18, 3, 70 };
uint8_t eeFooByteArray2[] EEMEM = { 30, 7, 79 };

/* 16-bit unsigned short feld */
uint16_t eeFooWordArray1[4] EEMEM;
</c>

=== Bytes lesen/schreiben ===

Die avr-libc Funktion zum Lesen eines Bytes heißt eeprom_read_byte. Parameter ist die Adresse des Bytes im EEPROM. Geschrieben wird über die Funktion eeprom_write_byte mit den Parametern Adresse und Inhalt. Anwendungsbeispiel:

<c>
#define EEPROM_DEF 0xFF

void eeprom_example (void)
{
uint8_t myByte;

// myByte lesen (Wert = 123)
myByte = eeprom_read_byte (&eeFooByte);

// der Wert 99 wird im EEPROM an die Adresse der
// Variablen eeFooByte geschrieben
myByte = 99;
eeprom_write_byte(&eeFooByte, myByte); // schreiben

myByte = eeprom_read_byte &eeFooByteArray1[1]);
// myByte hat nun den Wert 3

// Beispiel zur "Sicherung" gegen leeres EEPROM nach "Chip Erase"
// (z. B. wenn die .eep-Datei nach Programmierung einer neuen Version
// des Programms nicht in den EEPROM uebertragen wurde und EESAVE
// deaktiviert ist (unprogrammed/1)
//
// Vorsicht: wenn EESAVE "programmed" ist, hilft diese Sicherung nicht
// weiter, da die Speicheraddressen in einem neuen/erweiterten Programm
// moeglicherweise verschoben wurden. An der Stelle &eeFooByte steht
// dann u.U. der Wert einer anderen Variable aus einer "alten" Version.

uint8_t fooByteDefault = 222;
if ((myByte = eeprom_read_byte (&eeFooByte)) == EEPROM_DEF)
{
myByte = fooByteDefault;
}
}
</c>

=== Wort lesen/schreiben ===

Schreiben und Lesen von Datenworten erfolgt analog zur Vorgehensweise bei Bytes:

<c>
// lesen
uint16_t myWord = eeprom_read_word (&eeFooWord);

// schreiben
eeprom_write_word (&eeFooWord, 2222);
</c>

=== Block lesen/schreiben ===

Lesen und Schreiben von Datenblöcken erfolgt über die Funktionen <code>eeprom_read_block()</code> bzw. <code>eeprom_write_block()</code>. Die Funktionen erwarten drei Parameter: die Adresse der Quell- bzw. Zieldaten im RAM, die EEPROM-Addresse und die Länge des Datenblocks in Bytes als <code>size_t</code>.
<c>
uint8_t myByteBuffer[3];
uint16_t myWordBuffer[4];

void eeprom_block_example (void)
{
/* Datenblock aus EEPROM lesen */

/* liest 3 Bytes ab der von eeFooByteArray1 definierten EEPROM-Adresse
in das RAM-Array myByteBuffer */
eeprom_read_block (myByteBuffer, eeFooByteArray1, 3);

/* dito mit etwas Absicherung betr. der Länge */
eeprom_read_block (myByteBuffer, eeFooByteArray1, sizeof(myByteBuffer));

/* und nun mit 16-Bit Array */
eeprom_read_block (myWordBuffer, eeFooWordArray1, sizeof(myWordBuffer));

/* Datenblock in EEPROM schreiben */
eeprom_write_block (myByteBuffer, eeFooByteArray1, sizeof(myByteBuffer));
eeprom_write_block (myWordBuffer, eeFooWordArray1, sizeof(myWordBuffer));
}
</c>

Ebenso lassen sich float-Variablen lesen und schreiben:

<c>
#include <avr/eeprom.h>

float eeFloat EEMEM = 12.34f;

float void eeprom_float_example (float value)
{
/* float in EEPROM schreiben */
eeprom_write_float (&eeFloat, value);

/* float aus EEPROM lesen */
return eeprom_read_float (&eeFloat);
}</c>

=== EEPROM-Speicherabbild in .eep-Datei ===

Mit den zum Compiler gehörenden Werkzeugen kann der aus den Variablendeklarationen abgeleitete EEPROM-Inhalt in eine Datei geschrieben werden. Die übliche Dateiendung ist .eep, Daten im Intel Hex-Format. Damit können Standardwerte für den EEPROM-Inhalt im Quellcode definiert werden.

Makefiles nach WinAVR/MFile-Vorlage enthalten bereits die notwendigen Einstellungen, siehe dazu die Erläuterungen im [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs Makefiles|Exkurs Makefiles]].

Der Inhalt der eep-Datei muss ebenfalls zum Mikrocontroller übertragen werden, wenn die Initialisierungswerte aus der Deklaration vom Programm erwartet werden. Ansonsten enthält der EEPROM-Speicher nach der Übertragung des Programmers mittels ISP abhängig von der Einstellung der EESAVE-Fuse<ref>vgl. Datenblatt Abschnitt Fuse Bits</ref> nicht die korrekten Werte:
; EESAVE = 0 (programmed): Die Daten im EEPROM bleiben erhalten. Werden sie nicht neu geschrieben, so enthält das EEPROM evtl. Daten, die nicht mehr zum Programm passen.
; EESAVE = 1 (unprogrammed): Beim Programmieren werden die Daten im EEPROM gelosch, also auf 0xff gesetzt.

Als Sicherung kann man im Programm nochmals die Standardwerte vorhalten, beim Lesen auf 0xFF prüfen und gegebenfalls einen Standardwert nutzen.

=== Direkter Zugriff auf EEPROM-Adressen ===

Will man direkt auf bestimmte EEPROM Adressen zugreifen, dann sind folgende Funktionen hilfreich, um sich die Typecasts zu ersparen:

<c>
#include <avr/eeprom.h>

// Byte aus dem EEPROM lesen
uint8_t EEPReadByte(uint16_t addr)
{
return eeprom_read_byte((uint8_t *)addr);
}

// Byte in das EEPROM schreiben
void EEPWriteByte(uint16_t addr, uint8_t val)
{
eeprom_write_byte((uint8_t *)addr, val);
}
</c>

oder als Makro:

<c>
#define EEPReadByte(addr) eeprom_read_byte((uint8_t *)addr)
#define EEPWriteByte(addr, val) eeprom_write_byte((uint8_t *)addr, val)
</c>

Verwendung:

<c>
EEPWriteByte(0x20, 128); // Byte an die Adresse 0x20 schreiben
...
Val=EEPReadByte(0x20); // EEPROM-Wert von Adresse 0x20 lesen
</c>

=== Bekannte Probleme bei den EEPROM-Funktionen ===

Vorsicht: Bei alten Versionen der avr-libc wurden nicht alle AVR Controller unterstützt. Z.B. bei der avr-libc Version 1.2.3 insbesondere bei AVRs "der neuen Generation" (ATmega48/88/168/169) funktionieren die Funktionen nicht korrekt (Ursache: unterschiedliche Speicheradressen der EEPROM-Register). In neueren Versionen (z. B. avr-libc 1.4.3 aus WinAVR 20050125) wurde die Zahl der unterstüzten Controller deutlich erweitert und eine Methode zur leichten Anpassung an zukünftige Controller eingeführt.

In jedem Datenblatt zu AVR-Controllern mit EEPROM sind kurze Beispielecodes für den Schreib- und Lesezugriff enthalten. Will oder kann man nicht auf die neue Version aktualisieren, kann der dort gezeigte Code auch mit dem avr-gcc (ohne avr-libc/eeprom.h) genutzt werden ("copy/paste", gegebenfalls Schutz vor Unterbrechnung/Interrupt ergänzen ''uint8_t sreg; sreg=SREG; cli(); [EEPROM-Code] ; SREG=sreg; return;'', siehe Abschnitt Interrupts). Im Zweifel hilft ein Blick in den vom Compiler erzeugten Assembler-Code (lst/lss-Dateien).

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/EEPROM handling

=== EEPROM Register ===
Um das EEPROM anzusteuern, sind drei Register von Bedeutung:
;EEAR: Hier werden die Adressen eingetragen zum Schreiben oder Lesen. Dieses Register unterteilt sich nochmal in EEARH und EEARL, da in einem 8-Bit-Register keine 512 Adressen adressiert werden können.
;EEDR: Hier werden die Daten eingetragen, die geschrieben werden sollen, bzw. es enthält die gelesenen Daten.
;EECR: Ist das Kontrollregister für das EEPROM

Das EECR steuert den Zugriff auf das EEPROM und ist wie folgt aufgebaut:

:{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''Aufbau des EECR-Registers'''
|-
!Bit
| 7 || 6 || 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| - || - || - ||- || EERIE || EEMWE || EEWE || EERE
|-
! Read/Write
| R || R || R || R || R/W || R/W || R/W || R/W
|-
!Init Value
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0
|}

'''Bedeutung der Bits'''

;Bit 4-7: nicht belegt

;Bit 3 (EERIE): ''EEPROM Ready Interrupt Enable'': Wenn das Bit gesetzt ist und globale Interrupts erlaubt sind in Register SREG (Bit 7), wird ein Interrupt ausgelöst nach Beendigung des Schreibzyklus (EEPROM Ready Interrupt). Ist einer der beiden Bits 0, wird kein Interrupt ausgelöst.

;Bit 2 EEMWE): ''EEPROM Master Write Enable'': Dieses Bit bestimmt, dass, wenn EEWE = 1 gesetzt wird (innerhalb von 4 Taktzyklen), das EEPROM beschrieben wird mit den Daten in EEDR bei Adresse EEAR. Wenn EEMWE = 0 ist und EEWE = 1 gesetzt wird, hat das keine Auswirkungen. Der Schreibvorgang wird dann nicht ausgelöst. Nach 4 Taktzyklen wird das Bit EEMWE automatisch wieder auf 0 gesetzt. Dieses Bit löst den Schreibvorgang nicht aus, es dient sozusagen als Sicherungsbit für EEWE.

;Bit 1 (EEWE): ''EEPROM Write Enable'': Dieses Bit löst den Schreibvorgang aus, wenn es auf 1 gesetzt wird, sofern vorher EEMWE gesetzt wurde und seitdem nicht mehr als 4 Taktzyklen vergangen sind. Wenn der Schreibvorgang abgeschlossen ist, wird dieses Bit automatisch wieder auf 0 gesetzt und, sofern EERIE gesetzt ist, ein Interrupt ausgelöst. Ein Schreibvorgang sieht typischerweise wie folgt aus:
:# EEPROM-Bereitschaft abwarten (EEWE=0)
:# Adresse übergeben an EEAR
:# Daten übergeben an EEDR
:# Schreibvorgang auslösen in EECR mit Bit EEMWE=1 und EEWE=1
:# (Optional) Warten, bis Schreibvorgang abgeschlossen ist

;Bit 0 EERE: ''EEPROM Read Enable'': Wird dieses Bit auf 1 gesetzt wird das EEPROM an der Adresse in EEAR ausgelesen und die Daten in EEDR gespeichert. Das EEPROM kann nicht ausgelesen werden, wenn bereits eine Schreiboperation gestartet wurde. Es ist daher zu empfehlen, die Bereitschaft vorher zu prüfen. Das EEPROM ist lesebereit, wenn das Bit EEWE=0 ist. Ist der Lesevorgang abgeschlossen, wird das Bit wieder auf 0 gesetzt, und das EEPROM ist für neue Lese- und Schreibbefehle wieder bereit. Ein typischer Lesevorgang kann wie folgt aufgebaut sein:
:# Bereitschaft zum Lesen prüfen (EEWE=0)
:# Adresse übergeben an EEAR
:# Lesezyklus auslösen mit EERE = 1
:# Warten, bis Lesevorgang abgeschlossen EERE = 0
:# Daten abholen aus EEDR

= Die Nutzung von sprintf und printf =

Um komfortabel, d.h. formatiert, Ausgaben auf ein Display oder die serielle Schnittstelle zu tätigen, bieten sich '''sprintf''' oder '''printf''' an. Alle *printf-Varianten sind jedoch ziemlich speicherintensiv und der Einsatz in einem Mikrocontroller mit knappem Speicher muss sorgsam abgewogen werden.

Bei '''sprintf''' wird die Ausgabe zunächst in einem Puffer vorbereitet und anschließend mit einfachen Funktionen zeichenweise ausgegeben. Es liegt in der Verantwortung des Programmierers, genügend Platz im Puffer für die erwarteten Zeichen bereitzuhalten.

<c>
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

// ...
// nicht dargestellt: Implementierung von uart_puts (vgl. Abschnitt UART)
// ...

uint16_t counter;

// Ausgabe eines unsigned Integerwertes
void uart_puti( uint16_t value )
{
uint8_t puffer[20];

sprintf( puffer, "Zählerstand: %u", value );
uart_puts( puffer );
}

int main()
{
counter = 5;

uart_puti( counter );
uart_puti( 42 );
}
</c>

Eine weitere elegante Möglichkeit besteht darin, den STREAM stdout (Standardausgabe) auf eine eigene Ausgabefunktion umzuleiten. Dazu wird dem Ausgabemechanismus der C-Bibliothek eine neue Ausgabefunktion bekannt gemacht, deren Aufgabe es ist, ein einzelnes Zeichen auszugeben. Wohin die Ausgabe dann tatsächlich stattfindet, ist Sache der Ausgabefunktion. Im Beispiel unten wird auf UART ausgegeben. Alle anderen, höheren Funktionen wie z. B. '''printf''', greifen letztendlich auf diese primitive Ausgabefunktion zurück.

<c>
#include <avr/io.h>
#include <stdio.h>

void uart_init(void);

// a. Deklaration der primitiven Ausgabefunktion
int uart_putchar(char c, FILE *stream);

// b. Umleiten der Standardausgabe stdout (Teil 1)
static FILE mystdout = FDEV_SETUP_STREAM( uart_putchar, NULL, _FDEV_SETUP_WRITE );

// c. Definition der Ausgabefunktion
int uart_putchar( char c, FILE *stream )
{
if( c == '\n' )
uart_putchar( '\r', stream );

loop_until_bit_is_set( UCSRA, UDRE );
UDR = c;
return 0;
}

void uart_init(void)
{
/* hier µC spezifischen Code zur Initialisierung */
/* des UART einfügen... s.o. im AVR-GCC-Tutorial */

// Beispiel:
//
// myAVR Board 1.5 mit externem Quarz Q1 3,6864 MHz
// 9600 Baud 8N1

#ifndef F_CPU
#define F_CPU 3686400
#endif
#define UART_BAUD_RATE 9600

// Hilfsmakro zur UBRR-Berechnung ("Formel" laut Datenblatt)
#define UART_UBRR_CALC(BAUD_,FREQ_) ((FREQ_)/((BAUD_)*16L)-1)

UCSRB |= (1<<TXEN) | (1<<RXEN); // UART TX und RX einschalten
UCSRC |= (1<<URSEL)|(3<<UCSZ0); // Asynchron 8N1

UBRRH = (uint8_t)( UART_UBRR_CALC( UART_BAUD_RATE, F_CPU ) >> 8 );
UBRRL = (uint8_t)UART_UBRR_CALC( UART_BAUD_RATE, F_CPU );
}

int main(void)
{
int16_t antwort = 42;
uart_init();

// b. Umleiten der Standardausgabe stdout (Teil 2)
stdout = &mystdout;

// Anwendung
printf( "Die Antwort ist %d.\n", antwort );
return 0;
}

// Quelle: avr-libc-user-manual-1.4.3.pdf, S.74
// + Ergänzungen
</c>

Sollen Fließkommazahlen ausgegeben werden, muss im Makefile eine andere (größere) Version der [[FAQ#Aktivieren_der_Floating_Point_Version_von_sprintf_beim_WinAVR_mit_AVR-Studio|printflib]] eingebunden werden.

= Anhang =

== Externe Referenzspannung des internen Analog-Digital-Wandlers ==

Die minimale (externe) Referenzspannung des ADC darf nicht beliebig niedrig sein, vgl. dazu das (aktuellste) Datenblatt des verwendeten Controllers. z. B. beim ATMEGA8 darf sie laut Datenblatt (S.245, Tabelle 103, Zeile "VREF") 2,0V nicht unterschreiten. HINWEIS: diese Information findet sich erst in der letzten Revision (Rev. 2486O-10/04) des Datenblatts.

Meiner  eigenen Erfahrung nach kann man aber (auf eigene Gefahr und natürlich nicht für Seriengeräte) durchaus noch ein klein wenig weiter heruntergehen, bei dem von mir unter die Lupe genommenen ATMEGA8L (also die Low-Voltage-Variante) funktioniert der ADC bei 5V Betriebsspannung mit bis zu VREF=1,15V hinunter korrekt, ab 1,1V und darunter digitalisiert er jedoch nur noch Blödsinn). Ich würde sicherheitshalber nicht unter 1,5V gehen und bei niedrigeren Betriebsspannungen mag sich die Untergrenze für VREF am Pin AREF ggf. nach oben'''(!)''' verschieben.

In der letzten Revision des Datenblatts ist außerdem korrigiert, dass ADC4 und ADC5 sehr wohl 10 Bit Genauigkeit bieten (und nicht bloß 8 Bit, wie in älteren Revisionen irrtümlich angegeben.)

= Anmerkungen =
<references/>

= TODO =
* Aktualisierung Register- und Bitbeschreibungen an aktuelle AVR
* stdio.h, malloc()
* "naked"-Funktionen
* Übersicht zu den C bzw. GCC-predefined Makros (__DATE__, __TIME__,...)
* Bootloader => erl. [[AVR Bootloader in C - eine einfache Anleitung]]
* [http://myweb.msoe.edu/~barnicks/courses/CE-2800/documents/Mixing%20C%20and%20assembly%20language%20programs.pdf Mixing C and assembly language programs] Copyright © 2007 William Barnekow (PDF).

[[Kategorie:avr-gcc Tutorial| ]]

AVR-GCC-Tutorial

2011-10-09T05:46:55Z

Mfgkw: /* Nutzung des ADC */

= Voraussetzungen =

Vorausgesetzt werden Grundkenntnisse der Progammiersprache C. Diese Kenntnisse kann man sich online erarbeiten, z. B. mit dem [http://www.schellong.de/c.htm C Tutorial von Helmut Schellong] ([[C|Liste von C-Tutorials]]). Nicht erforderlich sind Vorkenntnisse in der Programmierung von Mikrocontrollern, weder in Assembler noch in einer anderen Sprache.

= Vorwort =

Dieses Tutorial soll den Einstieg in die Programmierung von Atmel [[AVR]]-Mikrocontrollern in der Programmiersprache [[C]] mit dem freien C-Compiler [[AVR-GCC]] aus der [http://gcc.gnu.org/ GNU Compiler Collection] erleichtern.

In diesem Text wird häufig auf die Standardbibliothek avr-libc verwiesen, für die es eine [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Online-Dokumentation] gibt, in der sich auch viele nützliche Informationen zum Compiler und zur Programmierung von AVR Controllern finden (beim Packet WinAVR gehört die avr-libc Dokumentation zum Lieferumfang und wird mitinstalliert).

Der Compiler und die Standardbibliothek avr-libc werden stetig weiterentwickelt. Einige Unterschiede, die sich im Verlauf der Entwicklung ergeben haben, werden im Haupttext und Anhang zwar erläutert, Anfängern sei jedoch empfohlen, die aktuellen Versionen zu nutzen (für MS-Windows: aktuelle Version des [[WinAVR]]-Pakets; für Linux: siehe Artikel [[AVR und Linux]]).

Das ursprüngliche Tutorial stammt von Christian Schifferle, viele neue Abschnitte und aktuelle Anpassungen von Martin Thomas.

Dieses Tutorial ist in PDF-Form hier erhältlich (nicht immer auf aktuellem Stand):
[[Media:AVR-GCC-Tutorial.pdf]]

== Weiterführende Kapitel ==

Um dieses riesige Tutorial etwas überschaubarer zu gestalten, wurden einige Kapitel ausgelagert, die nicht unmittelbar mit den Grundlagen von avr-gcc in Verbindung stehen. All diese Seiten gehören zur [[:Kategorie:avr-gcc Tutorial]].
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Der UART|Der UART]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Der Watchdog|Der Watchdog]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Die Timer und Zähler des AVR|Die Timer und Zähler des AVR]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs Makefiles|Exkurs Makefiles]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/LCD-Ansteuerung|LCD-Ansteuerung]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Alte Quellen|Alte Quellen anpassen]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Assembler und Inline-Assembler|Assembler und Inline-Assembler]]

= Benötigte Werkzeuge =

Um eigene Programme für AVRs mittels avr-gcc/avr-libc zu erstellen und zu testen, wird folgende Hard- und Software benötigt:

* Platine oder Versuchsaufbau für die Aufnahme eines AVR Controllers, der vom avr-gcc Compiler unterstützt wird (alle ATmegas und die meisten AT90, siehe Dokumentation der avr-libc für unterstützte Typen). Dieses Testboard kann durchaus auch selbst gelötet oder auf einem Steckbrett aufgebaut werden. Einige Registerbeschreibungen dieses Tutorials beziehen sich auf den inzwischen veralteten AT90S2313. Der weitaus größte Teil des Textes ist aber für alle Controller der AVR-Familie gültig. Brauchbare Testplattformen sind auch das [[STK500]] und der [[AVR Butterfly]] von Atmel. Weitere Infos findet man in den Artikeln [[AVR#Starterkits|AVR Starterkits]] und [[AVR-Tutorial: Equipment]].

* Der avr-gcc Compiler und die avr-libc. Kostenlos erhältlich für nahezu alle Plattformen und Betriebssysteme. Für MS-Windows im Paket [[WinAVR]]; für Unix/Linux siehe auch Hinweise im Artikel [[AVR-GCC]] und im Artikel [[AVR und Linux]].

* Programmiersoftware und -[[AVR In System Programmer |hardware]] z. B. PonyProg (siehe auch: [[Pony-Prog Tutorial]]) oder [[AVRDUDE]] mit [[STK200]]-Dongle oder die von Atmel verfügbare Hard- und Software ([[STK500]], Atmel AVRISP, [[AVR-Studio]]).

* Nicht unbedingt erforderlich, aber zur Simulation und zum Debuggen unter MS-Windows recht nützlich: [[AVR-Studio]] (siehe Artikel [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs_Makefiles|Exkurs: Makefiles]]).

* Wer unter Windows und Linux gleichermassen entwickeln will, der sollte sich die [http://www.eclipse.org/ IDE Eclipse for C/C++ Developers] und das [http://avr-eclipse.sourceforge.net/wiki/index.php/The_AVR_Eclipse_Plugin AVR-Eclipse Plugin ] ansehen, beide sind unter Windows und Linux einfach zu installieren. Hier gibt es auch einen [[AVR_Eclipse|Artikel AVR Eclipse]] in dieser Wiki. Ebenfalls unter Linux und Windows verfügbar ist die Entwicklungsumgebung [http://www.codeblocks.org/ Code::Blocks] (aktuelle, stabile Versionen sind als Nightly Builds regelmäßig im [http://forums.codeblocks.org/ Forum] verfügbar). Innerhalb dieser Entwicklungsumgebung können ohne die Installation zusätzlicher Plugins "AVR-Projekte" angelegt werden. Für Linux gibt es auch noch das [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=25220&postdays=0&postorder=asc&start=0 KontrollerLab].

= Was tun, wenn's nicht "klappt"? =

* Herausfinden, ob es tatsächlich ein avr(-gcc) spezifisches Problem ist oder nur die eigenen C-Kenntnisse einer Auffrischung bedürfen. Allgemeine C-Fragen kann man eventuell "beim freundlichen Programmierer zwei Büro-, Zimmer- oder Haustüren weiter" loswerden. Ansonsten: [[C]]-Buch (gibt's auch "gratis" online) lesen.

* Die [[AVR Checkliste]] durcharbeiten.

* Die '''[http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc]''' lesen, vor allem (aber nicht nur) den Abschnitt Related Pages/'''Frequently Asked Questions''' = Oft gestellte Fragen (und Antworten dazu). Z.Zt leider nur in englischer Sprache verfügbar.

* Den Artikel [[AVR-GCC]] in diesem Wiki lesen.

* Das [http://www.mikrocontroller.net/forum/gcc GCC-Forum auf www.mikrocontroller.net] nach vergleichbaren Problemen absuchen.

* Das avr-gcc-Forum bei [http://www.avrfreaks.net AVRfreaks] nach vergleichbaren Problemen absuchen.

* Das [http://lists.gnu.org/archive/html/avr-gcc-list/ Archiv der avr-gcc Mailing-Liste] nach vergleichbaren Problemen absuchen.

* Nach Beispielcode suchen. Vor allem im ''Projects''-Bereich von [http://www.avrfreaks.net AVRfreaks] (anmelden).

* Google oder yahoo befragen schadet nie.

* Bei Problemen mit der Ansteuerung interner AVR-Funktionen mit C-Code: das Datenblatt des Controllers lesen (ganz und am Besten zweimal). Datenblätter sind auf den [http://www.atmel.com Atmel Webseiten] als pdf-Dateien verfügbar. Das komplette Datenblatt (complete) und nicht die Kurzfassung (summary) verwenden.

* Die Beispielprogramme im [[AVR-Tutorial]] sind zwar in AVR-Assembler verfasst, Erläuterungen und Vorgehensweisen sind aber auch auf C-Programme übertragbar.

* Einen Beitrag in eines der Foren oder eine Mail an die Mailing-Liste schreiben. Dabei möglichst viel Information geben: Controller, Compilerversion, genutzte Bibliotheken, Ausschnitte aus dem Quellcode oder besser ein [http://www.mikrocontroller.net/topic/72767#598986 Testprojekt] mit allen notwendigen Dateien, um das Problem nachzuvollziehen, sowie genaue Fehlermeldungen bzw. Beschreibung des Fehlverhaltens. Bei Ansteuerung externer Geräte die Beschaltung beschreiben oder skizzieren (z. B. mit [http://www.tech-chat.de/ Andys ASCII Circuit]). Siehe dazu auch: '''[http://www.tty1.net/smart-questions_de.html "Wie man Fragen richtig stellt"]'''.

= Erzeugen von Maschinencode =

Aus dem C-Quellcode erzeugt der avr-gcc Compiler (zusammen mit Hilfsprogrammen wie z. B. Präprozessor, Assembler und Linker) Maschinencode für den AVR-Controller. Üblicherweise liegt dieser Code dann im Intel Hex-Format vor ("Hex-Datei"). Die Programmiersoftware (z. B. [[AVRDUDE]], PonyProg oder AVRStudio/STK500-plugin) liest diese Datei ein und überträgt die enthaltene Information (den Maschinencode) in den Speicher des Controllers. Im Prinzip sind also "nur" der avr-gcc-Compiler (und wenige Hilfsprogramme) mit den "richtigen" Optionen aufzurufen, um aus C-Code eine "Hex-Datei" zu erzeugen. Grundsätzlich stehen dazu zwei verschiedene Ansätze zur Verfügung:

* Die Verwendung einer integrierten Entwicklungsumgebung (IDE = '''I'''ntegrated '''D'''evelopment '''E'''nvironment), bei der alle Einstellungen z. B. in Dialogboxen durchgeführt werden können. Unter Anderem kann AVRStudio ab Version 4.12 (kostenlos auf [http://www.atmel.com/ atmel.com]) zusammen mit WinAVR als integrierte Entwicklungsumgebung für den Compiler avr-gcc genutzt werden (dazu müssen AVRStudio und WinAVR auf dem Rechner installiert sein). Weitere IDEs (ohne Anspruch auf Vollständigkeit): [http://www.eclipse.org/ Eclipse for C/C++ Developers] (d.h. inkl. CDT) und das [http://avr-eclipse.sourceforge.net/wiki/index.php/The_AVR_Eclipse_Plugin AVR-Eclipse Plugin] (für diverse Plattformen, u.a. Linux und MS Windows, IDE und Plugin kostenlos), [http://sourceforge.net/projects/kontrollerlab KontrollerLab] (Linux/KDE, kostenlos). [http://www.atmanecl.com/EnglishSite/SoftwareEnglish.htm AtmanAvr] (MS Windows, relativ günstig), KamAVR (MS-Windows, kostenlos, wird augenscheinlich nicht mehr weiterentwickelt), [http://www.amctools.com/vmlab.htm VMLab] (MS Windows, ab Version 3.12 ebenfalls kostenlos). Integrierte Entwicklungsumgebungen unterscheiden sich stark in Ihrer Bedienung und stehen auch nicht für alle Plattformen zur Verfügung, auf denen der Compiler ausführbar ist (z. B. AVRStudio nur für MS-Windows). Zur Anwendung des avr-gcc Compilers mit IDEs sei hier auf deren Dokumentation verwiesen.

* Die Nutzung des Programms make mit passenden Makefiles. In den folgenden Abschnitten wird die Generierung von Maschinencode für einen AVR ("hex-Datei") aus C-Quellcode ("c-Dateien") anhand von "make" und den "Makefiles" näher erläutert. Viele der darin beschriebenen Optionen findet man auch im Konfigurationsdialog des avr-gcc-Plugins von AVRStudio (AVRStudio generiert ein makefile in einem Unterverzeichnis des Projektverzeichnisses).

Beim Wechsel vom makefile-Ansatz nach WinAVR-Vorlage zu AVRStudio ist darauf zu achten, dass AVRStudio (Stand: AVRStudio Version 4.13) bei einem neuen Projekt die Optimierungsoption (vgl. Artikel [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs_Makefiles|AVR-GCC-Tutorial/Exkurs: Makefiles]], typisch: -Os) nicht einstellt und die mathematische Bibliothek der avr-libc (libm.a, Linker-Option -lm) nicht einbindet. (Hinweis: Bei Version 4.16 wird beides bereits gesetzt). Beides ist Standard bei Verwendung von makefiles nach WinAVR-Vorlage und sollte daher auch im Konfigurationsdialog des avr-gcc-Plugins von AVRStudio "manuell" eingestellt werden, um auch mit AVRStudio kompakten Code zu erzeugen.

= Einführungsbeispiel =

Zum Einstieg ein kleines Beispiel, an dem die Nutzung des Compilers und der Hilfsprogramme (der sogenannten ''Toolchain'') demonstriert wird. Detaillierte Erläuterungen folgen in den weiteren Abschnitten dieses Tutorials.

Das Programm soll auf einem AVR Mikrocontroller einige Ausgänge ein- und andere ausschalten. Das Beispiel ist für einen ATmega16 programmiert ([http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2466.pdf Datenblatt]), kann aber sinngemäß für andere Controller der AVR-Familie modifiziert werden.

Ein kurzes Wort zur Hardware: Bei diesem Programm werden alle Pins von PORTB auf Ausgang gesetzt, und einige davon werden auf HIGH andere auf LOW gesetzt. Das kann je nach angeschlossener Hardware an diesen Pins kritisch sein. Am ungefährlichsten ist es, wenn nichts an den Pins angeschlossen ist und man die Funktion des Programmes durch eine Spannungsmessung mit einem Multimeter kontrolliert. Die Spannung wird dabei zwischen GND-Pin und den einzelnen Pins von PORTB gemessen.

Zunächst der Quellcode der Anwendung, der in einer Text-Datei mit dem Namen ''main.c'' abgespeichert wird.

<c>
/* Alle Zeichen zwischen Schrägstrich-Stern
und Stern-Schrägstrich sind Kommentare */

// Zeilenkommentare sind ebenfalls möglich
// alle auf die beiden Schrägstriche folgenden
// Zeichen einer Zeile sind Kommentar

#include <avr/io.h> // (1)

int main (void) { // (2)

DDRB = 0xFF; // (3)
PORTB = 0x03; // (4)

while(1) { // (5)
/* "leere" Schleife*/ // (6)
} // (7)

/* wird nie erreicht */
return 0; // (8)
}
</c>

# In dieser Zeile wird eine sogenannte Header-Datei eingebunden. In <code>avr/io.h</code> sind die Registernamen definiert, die im späteren Verlauf genutzt werden. Auch unter Windows wird ein <code>/</code> zur Kennzeichnung von Unterverzeichnissen in Include-Dateinamen verwendet und kein <code>\</code>.
# Hier beginnt das eigentliche Programm. Jedes C-Programm beginnt mit den Anweisungen in der Funktion <code>main</code>.
# Die Anschlüsse eines AVR ("Beinchen") werden zu Blöcken zusammengefasst, einen solchen Block bezeichnet man als Port. Beim ATmega16 hat jeder Port 8 Anschlüsse, bei kleineren AVRs können einem Port auch weniger als 8 Anschlüsse zugeordnet sein. Da per Definition (Datenblatt) alle gesetzten Bits in einem Datenrichtungsregister den entsprechenden Anschluss auf Ausgang schalten, werden mit DDRB=0xff alle Anschlüsse des Ports B als Ausgänge eingestellt.
# stellt die Werte der Ausgänge ein. Die den ersten beiden Bits des Ports zugeordneten Anschlüsse (PB0 und PB1) werden 1, alle anderen Anschlüsse des Ports B (PB2-PB7) zu 0. Aktivierte Ausgänge (logisch 1 oder "high") liegen auf Betriebsspannung (VCC, meist 5 Volt), nicht aktivierte Ausgänge führen 0 Volt (GND, Bezugspotential). Es ist sinnvoll, sich möglichst frühzeitig eine alternative Schreibweise beizubringen, die wegen der leichteren Überprüfbarkeit und Portierbarkeit oft im weiteren Tutorial und in Forenbeiträgen benutzt wird. Die Zuordnung sieht in diesem Fall so aus, Näheres dazu im Artikel [[Bitmanipulation]]:<c>PORTB = (1<<PB1) | (1<<PB0);</c>
# ist der Beginn der sogenannte ''Hauptschleife'' (main-loop). Dies ist eine Endlosschleife, welche kontinuierlich wiederkehrende Befehle enthält.
# In diesem Beispiel ist die Hauptschleife leer. Der Controller durchläuft die Schleife immer wieder, ohne dass etwas passiert. Eine solche Schleife ist notwendig, da es auf dem Controller kein Betriebssystem gibt, das nach Beendigung des Programmes die Kontrolle übernehmen könnte. Ohne diese Schleife kehrt das Programm aus <code>main</code> zurück, alle Interrupts werden deaktiviert und eine Endlosschleife betreten.
# Ende der Hauptschleife und Sprung zur passenden, öffnenden Klammer, also zu 5.
# ist das Programmende. Die Zeile ist nur aus Gründen der C-Kompatibilität enthalten: <c>int main(void)</c> besagt, dass die Funktion einen int-Wert zurückgibt. Die Anweisung wird aber nicht erreicht, da das Programm die Hauptschleife nie verlässt.

Um diesen Quellcode in ein lauffähiges Programm zu übersetzen, wird hier ein Makefile genutzt. Das verwendete Makefile findet sich auf der Seite [[Beispiel Makefile]] und basiert auf der Vorlage, die in WinAVR mitgeliefert wird und wurde bereits angepasst (Controllertyp ATmega16). Man kann das Makefile bearbeiten und an andere Controller anpassen oder sich mit dem Programm MFile menügesteuert ein Makefile "zusammenklicken". Das Makefile speichert man unter dem Namen <code>Makefile</code> (ohne Endung) im selben Verzeichnis, in dem auch die Datei <code>main.c</code> mit dem Programmcode abgelegt ist. Detailliertere Erklärungen zur Funktion von Makefiles finden sich im Artikel [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs_Makefiles|Exkurs: Makefiles]].

<pre>
D:\beispiel>dir

Verzeichnis von D:\beispiel

28.11.2006 22:53 <DIR> .
28.11.2006 22:53 <DIR> ..
28.11.2006 20:06 118 main.c
28.11.2006 20:03 16.810 Makefile
2 Datei(en) 16.928 Bytes
</pre>

Nun gibt man ''make all'' ein. Falls das mit WinAVR installierte Programmers Notepad genutzt wird, gibt es dazu einen Menüpunkt im Tools Menü. Sind alle Einstellungen korrekt, entsteht eine Datei <code>main.hex</code>, in welcher der Code für den AVR enthalten ist.
<pre>
D:\beispiel>make all

-------- begin --------
avr-gcc (GCC) 3.4.6
Copyright (C) 2006 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions. There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

Compiling C: main.c
avr-gcc -c -mmcu=atmega16 -I. -gdwarf-2 -DF_CPU=1000000UL -Os -funsigned-char -f
unsigned-bitfields -fpack-struct -fshort-enums -Wall -Wstrict-prototypes -Wundef
-Wa,-adhlns=obj/main.lst -std=gnu99 -Wundef -MD -MP -MF .dep/main.o.d main.c -
o obj/main.o

Linking: main.elf
avr-gcc -mmcu=atmega16 -I. -gdwarf-2 -DF_CPU=1000000UL -Os -funsigned-char -funs
igned-bitfields -fpack-struct -fshort-enums -Wall -Wstrict-prototypes -Wundef -W
a,-adhlns=obj/main.o -std=gnu99 -Wundef -MD -MP -MF .dep/main.elf.d obj/main.o
--output main.elf -Wl,-Map=main.map,--cref -lm

Creating load file for Flash: main.hex
avr-objcopy -O ihex -R .eeprom main.elf main.hex
</pre>

Der Inhalt der hex-Datei kann nun zum Controller übertragen werden. Dies kann z. B. über In-System-Programming ([[ISP]]) erfolgen, das im [[AVR-Tutorial: Equipment]] beschrieben ist. Makefiles nach der WinAVR/MFile-Vorlage sind für die Nutzung des Programms [[AVRDUDE]] vorbereitet. Wenn man den Typ und Anschluss des Programmiergerätes richtig eingestellt hat, kann mit ''make program'' die Übertragung mittels AVRDUDE gestartet werden. Jede andere Software, die hex-Dateien lesen und zu einem AVR übertragen kann<ref>z. B. [[Pony-Prog_Tutorial|Ponyprog]], yapp, AVRStudio</ref>, kann natürlich ebenfalls genutzt werden.

Startet man nun den Controller (Reset-Taster oder Stromzufuhr aus/an), werden vom Programm die Anschlüsse PB0 und PB1 auf 1 gesetzt. Man kann mit einem Messgerät nun an diesem Anschluss die Betriebsspannung messen oder eine [[LED]] leuchten lassen (Anode an den Pin, Vorwiderstand nicht vergessen). An den Anschlüssen PB2-PB7 misst man 0 Volt. Eine mit der Anode mit einem dieser Anschlüsse verbundene LED leuchtet nicht.

= Ganzzahlige (Integer) Datentypen =

Bei der Programmierung von Mikrokontrollern ist die Definition einiger ganzzahliger Datentypen sinnvoll, an denen eindeutig die Bit-Länge abgelesen werden kann.

Standardisierte Datentypen werden in der Header-Datei <code>stdint.h</code> definiert, die folgendermaßen eingebunden werden kann:
<c>#include <stdint.h></c>

{| {{Tabelle}}
|+ '''int-Typen aus <code>stdint.h</code> (C99)'''  
|- bgcolor="#d0d0ff"
!colspan="5"| Vorzeichenbehaftete int-Typen
|- bgcolor="#e8e8ff"
! Typname || Bit-Breite ||colspan="2"| Wertebereich
|align="center| '''C-Entsprechung''' (avr-gcc)
|-
|<code>int8_t</code> ||align="right"| 8 || −128 ⋯ 127 || −27 ⋯ 27−1 || <code>signed char</code>
|-
|<code>int16_t</code> ||align="right"| 16 || −32768 ⋯ 32767 || −215 ⋯ 215−1 || <code>signed short</code>, <code>signed int</code>
|-
|<code>int32_t</code> ||align="right"| 32 || −2147483648 ⋯ 2147483647 || −231 ⋯ 231−1 || <code>signed long</code>
|-
|<code>int64_t</code> ||align="right"| 64 || −9223372036854775808 ⋯ 9223372036854775807 || −263 ⋯ 263−1 || <code>signed long long</code>
|- bgcolor="#d0d0ff"
!colspan="5"| Vorzeichenlose int-Typen
|- bgcolor="#e8e8ff"
! Typname || Bit-Breite ||colspan="2"| Wertebereich
|align="center| '''C-Entsprechung''' (avr-gcc)
|-
|<code>uint8_t</code> ||align="right"| 8 || 0 ⋯ 255 || 0 ⋯ 28−1 || <code>unsigned char</code>
|-
|<code>uint16_t</code> ||align="right"| 16 || 0 ⋯ 65535 || 0 ⋯ 216−1 || <code>unsigned short</code>, <code>unsigned int</code>
|-
|<code>uint32_t</code> ||align="right"| 32 || 0 ⋯ 4294967295 || 0 ⋯ 232−1 || <code>unsigned long</code>
|-
|<code>uint64_t</code> ||align="right"| 64 || 0 ⋯ 18446744073709551615 || 0 ⋯ 264−1 || <code>unsigned long long</code>
|}

Neben den Typen gibt es auch Makros für die Bereichsgrenzen wie <code>INT8_MIN</code> oder <code>UINT16_MAX</code>. Siehe dazu auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__avr__stdint.html Dokumentation der avr-libc: Standard Integer Types].

= Bitfelder =

Beim Programmieren von Mikrocontrollern muss auf jedes Byte oder sogar auf
jedes Bit geachtet werden. Oft müssen wir in einer Variablen lediglich den
Zustand 0 oder 1 speichern. Wenn wir nun zur Speicherung eines einzelnen Wertes
den kleinsten bekannten Datentypen, nämlich '''unsigned char''', nehmen, dann
verschwenden wir 7 Bits, da ein '''unsigned char''' ja 8 Bits breit ist.

Hier bietet uns die Programmiersprache C ein mächtiges Werkzeug an, mit dessen
Hilfe wir 8 Bits in eine einzelne Bytevariable zusammenfassen und (fast) wie
8 einzelne Variablen ansprechen können. Die Rede ist von sogenannten Bitfeldern. Diese werden als Strukturelemente definiert. Sehen wir uns dazu doch am besten gleich ein Beispiel an:

<c>
struct {
unsigned bStatus_1:1; // 1 Bit für bStatus_1
unsigned bStatus_2:1; // 1 Bit für bStatus_2
unsigned bNochNBit:1; // Und hier noch mal ein Bit
unsigned b2Bits:2; // Dieses Feld ist 2 Bits breit
// All das hat in einer einzigen Byte-Variable Platz.
// die 3 verbleibenden Bits bleiben ungenutzt
} x;
</c>

Der Zugriff auf ein solches Feld erfolgt nun, wie beim Strukturzugriff bekannt,
über den Punkt- oder den Dereferenzierungs-Operator:

<c>
x.bStatus_1 = 1;
x.bStatus_2 = 0;
x.b2Bits = 3;
</c>

Bitfelder sparen Platz im RAM, zu Lasten von Platz im Flash, verschlechtern aber unter Umständen die Les- und Wartbarkeit des Codes. Anfängern wird deshalb geraten, ein "ganzes" Byte (uint8_t) zu nutzen, auch wenn nur ein Bitwert gespeichert werden soll.

= Grundsätzlicher Programmaufbau eines µC-Programms =

Wir unterscheiden zwischen 2 verschiedenen Methoden, um ein
Mikrocontroller-Programm zu schreiben, und zwar völlig unabhängig davon, in
welcher Programmiersprache das Programm geschrieben wird.

== Sequentieller Programmablauf ==

[[Image:Sequentielle Programme.gif|left]]
Bei dieser Programmiertechnik wird eine Endlosschleife programmiert, welche im
Wesentlichen immer den gleichen Aufbau hat. Es wird hier nach dem sogenannten EVA-Prinzip gehandelt. EVA steht für "Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe":
{{Absatz}}

== Interruptgesteuerter Programmablauf ==

[[Image:Interrupt Programme.gif|left]]
Bei dieser Methode werden beim Programmstart zuerst die gewünschten Interruptquellen aktiviert und dann in eine Endlosschleife gegangen, in welcher Dinge erledigt werden können, welche nicht zeitkritisch sind. Wenn ein Interrupt ausgelöst wird, so wird automatisch die zugeordnete Interruptfunktion ausgeführt.
{{Absatz}}

= Zugriff auf Register =

Die AVR-Controller verfügen über eine Vielzahl von Registern. Die meisten
davon sind sogenannte Schreib-/Leseregister. Das heißt, das Programm kann die
Inhalte der Register sowohl auslesen als auch beschreiben.

Register haben einen besonderen Stellenwert bei den AVR Controllern. Sie dienen dem Zugriff auf die Ports und die Schnittstellen des Controllers. Wir unterscheiden zwischen 8-Bit und 16-Bit Registern. Vorerst behandeln wir die 8-Bit Register.

Einzelne Register sind bei allen AVRs vorhanden, andere wiederum nur bei bestimmten Typen. So sind beispielsweise die Register, welche für den Zugriff auf den UART notwendig sind, selbstverständlich nur bei denjenigen Modellen vorhanden, welche über einen integrierten Hardware UART bzw. USART verfügen.

Die Namen der Register sind in den Headerdateien zu den entsprechenden AVR-Typen definiert. Dazu muss man den Namen der controllerspezifischen Headerdatei nicht kennen. Es reicht aus, die allgemeine Headerdatei ''avr/io.h'' einzubinden:

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

Ist im Makefile der MCU-Typ z. B. mit dem Inhalt atmega8 definiert (und wird somit per -mmcu=atmega8 an den Compiler übergeben), wird beim Einlesen der io.h-Datei implizit ("automatisch") auch die iom8.h-Datei mit den Register-Definitionen für den ATmega8 eingelesen.


Intern wird diese "Automatik" wie folgt realisiert: Der Controllertyp wird dem Compiler als Parameter übergeben (vgl. ''avr-gcc -c -mmcu=atmega16 [...]'' im Einführungsbeispiel). Wird ein Makefile nach der WinAVR/mfile-Vorlage verwendet, setzt man die Variable ''MCU'', der Inhalt dieser Variable wird dann an passender Stelle für die Compilerparameter verwendet. Der Compiler definiert intern eine dem mmcu-Parameter zugeordnete "Variable" (genauer: ein Makro) mit dem Namen des Controllers, vorangestelltem ''__AVR_'' und angehängten Unterstrichen (z. B. wird bei ''-mmcu=atmega16'' das Makro ''__AVR_ATmega16__'' definiert). Beim Einbinden der Header-Datei ''avr/io.h'' wird geprüft, ob das jeweilige Makro definiert ist und die zum Controller passende Definitionsdatei eingelesen. Zur Veranschaulichung einige Ausschnitte aus einem Makefile:

<pre>
[...]
# MCU Type ("name") setzen:
MCU = atmega16
[...]

[...]
## Verwendung des Inhalts von MCU (hier atmega16) fuer die
## Compiler- und Assembler-Parameter
ALL_CFLAGS = -mmcu=$(MCU) -I. $(CFLAGS) $(GENDEPFLAGS)
ALL_CPPFLAGS = -mmcu=$(MCU) -I. -x c++ $(CPPFLAGS) $(GENDEPFLAGS)
ALL_ASFLAGS = -mmcu=$(MCU) -I. -x assembler-with-cpp $(ASFLAGS)
[...]

[...]
## Aufruf des Compilers:
## mit den Parametern ($(ALL_CFLAGS) ist -mmcu=$(MCU)[...] = -mmcu=atmega16[...]
$(OBJDIR)/%.o : %.c
@echo
@echo $(MSG_COMPILING) $<
$(CC) -c $(ALL_CFLAGS) $< -o $@
[...]
</pre>

Da --mmcu=atmega16 übergeben wurde, wird __AVR_ATmega16__ definiert und kann in avr/io.h zur Fallunterscheidung genutzt werden:

<c>
// avr/io.h
// (bei WinAVR-Standardinstallation in C:\WinAVR\avr\include\avr)
[...]
#if defined (__AVR_AT94K__)
# include <avr/ioat94k.h>
// [...]
#elif defined (__AVR_ATmega16__)
// da __AVR_ATmega16__ definiert ist, wird avr/iom16.h eingebunden:
# include <avr/iom16.h>
// [...]
#else
# if !defined(__COMPILING_AVR_LIBC__)
# warning "device type not defined"
# endif
#endif
</c>

Die Beispiele in den folgenden Abschnitten demonstrieren den Zugriff auf Register anhand der Register für I/O-Ports (PORTx, DDRx, PINx), die Vorgehensweise ist jedoch für alle Register (z. B. die des UART, ADC, SPI) analog.

== Schreiben in Register ==

Zum Schreiben kann man Register einfach wie eine Variable setzen.<ref>In Quellcodes, die für ältere Versionen des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, erfolgt der Schreibzugriff über die Funktion outp(). Aktuelle Versionen des Compilers unterstützen den Zugriff nun direkt, outp() ist nicht mehr erforderlich.</ref>

Beispiel:

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

int main()
{
/* Setzt das Richtungsregister des Ports A auf 0xff
(alle Pins als Ausgang, vgl. Abschnitt Zugriff auf Ports): */
DDRA = 0xff;

/* Setzt PortA auf 0x03, Bit 0 und 1 "high", restliche "low": */
PORTA = 0x03;

// Setzen der Bits 0,1,2,3 und 4
// Binär 00011111 = Hexadezimal 1F
DDRB = 0x1F; /* direkte Zuweisung - unübersichtlich */

/* Ausführliche Schreibweise: identische Funktionalität, mehr Tipparbeit
aber übersichtlicher und selbsterklärend: */
DDRB = (1 << DDB0) | (1 << DDB1) | (1 << DDB2) | (1 << DDB3) | (1 << DDB4);

while (1);
}
</c>

Die ausführliche Schreibweise sollte bevorzugt verwendet werden, da dadurch die Zuweisungen selbsterklärend sind und somit der Code leichter nachvollzogen werden kann. Atmel verwendet sie auch bei Beispielen in Datenblätten und in den allermeisten Quellcodes zu Application-Notes. Mehr zu der Schreibweise mit "|" und "<<" findet man unter [[Bitmanipulation]].

Der gcc C-Compiler unterstützt ab Version 4.3.0 Konstanten im Binärformat, z. B. DDRB = 0b00011111. Diese Schreibweise ist jedoch nur in GNU-C verfügbar und nicht in ISO-C definiert. Man sollte sie daher nicht verwenden, wenn Code mit anderen ausgetauscht oder mit anderen Compilern bzw. älteren Versionen des gcc genutzt werden soll.

== Verändern von Registerinhalten ==

Einzelne Bits setzt und löscht man "Standard-C-konform" mittels logischer (Bit-) Operationen.

<c>
x |= (1 << Bitnummer); // Hiermit wird ein Bit in x gesetzt
x &= ~(1 << Bitnummer); // Hiermit wird ein Bit in x geloescht
</c>

Es wird jeweils nur der Zustand des angegebenen Bits geändert, der vorherige Zustand der anderen Bits bleibt erhalten.

Beispiel:
<c>
#include <avr/io.h>
...
#define MEINBIT 2
...
PORTA |= (1 << MEINBIT); /* setzt Bit 2 an PortA auf 1 */
PORTA &= ~(1 << MEINBIT); /* loescht Bit 2 an PortA */
</c>

Mit dieser Methode lassen sich auch mehrere Bits eines Registers gleichzeitig setzen und löschen.

Beispiel:
<c>
#include <avr/io.h>
...
DDRA &= ~( (1<<PA0) | (1<<PA3) ); /* PA0 und PA3 als Eingaenge */
PORTA |= (1<<PA0) | (1<<PA3); /* Interne Pull-Up fuer beide einschalten */
</c>

In Quellcodes, die für ältere Version den des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, werden einzelne Bits mittels der Funktionen sbi und cbi gesetzt bzw. gelöscht. Beide Funktionen sind nicht mehr erforderlich.

Siehe auch:
* [[Bitmanipulation]]
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Special Function Registers

== Lesen aus Registern ==

Zum Lesen kann man auf Register einfach wie auf eine Variable zugreifen. In Quellcodes, die für ältere Versionen des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, erfolgt der Lesezugriff über die Funktion inp(). Aktuelle Versionen des Compilers unterstützen den Zugriff nun direkt und inp() ist nicht mehr erforderlich.

Beispiel:

<c>
#include <avr/io.h>
#include <stdint.h>

uint8_t foo;

//...

int main(void)
{
/* kopiert den Status der Eingabepins an PortB
in die Variable foo: */
foo = PINB;
//...
}
</c>

Die Abfrage der Zustände von Bits erfolgt durch Einlesen des gesamten Registerinhalts und ausblenden der Bits deren Zustand nicht von Interesse ist. Einige Beispiele zum Prüfen ob Bits gesetzt oder gelöscht sind:

<c>
#define MEINBIT0 0
#define MEINBIT2 2

uint8_t i;

extern test1();

// Funkion test1 aufrufen, wenn Bit 0 in Register PINA gesetzt (1) ist
i = PINA; // Inhalt in Arbeitsvariable
i = i & 0x01; // alle Bits bis auf Bit 0 ausblenden (logisches und)
// falls das Bit gesetzt war, hat i den Inhalt 1
if ( i != 0 ) { // Ergebnis ungleich 0 (wahr)?
test1(); // dann muss Bit 0 in i gesetzt sein -> Funktion aufrufen
}
// verkürzt:
if ( ( PINA & 0x01 ) != 0 ) {
test1();
}
// nochmals verkürzt:
if ( PINA & 0x01 ) {
test1();
}
// mit definierter Bitnummer:
if ( PINA & ( 1 << MEINBIT0 ) ) {
test1();
}

// Funktion aufrufen, wenn Bit 0 und/oder Bit 2 gesetzt ist. (Bit 0 und 2 also Wert 5)
// (Bedenke: Bit 0 hat Wert 1, Bit 1 hat Wert 2 und Bit 2 hat Wert 4)
if ( PINA & 0x05 ) {
test1(); // Vergleich <> 0 (wahr), also mindestens eines der Bits gesetzt
}
// mit definierten Bitnummern:
if ( PINA & ( ( 1 << MEINBIT0 ) | ( 1 << MEINBIT2 ) ) ) {
test1();
}

// Funktion aufrufen, wenn Bit 0 und Bit 2 gesetzt sind
if ( ( PINA & 0x05 ) == 0x05 ) { // nur wahr, wenn beide Bits gesetzt
test1();
}

// Funktion test2() aufrufen, wenn Bit 0 gelöscht (0) ist
i = PINA; // einlesen in temporäre Variable
i = i & 0x01; // maskieren von Bit 0
if ( i == 0 ) { // Vergleich ist wahr, wenn Bit 0 nicht gesetzt ist
test2();
}
// analog mit not-Operator
if ( !i ) {
test2();
}
// nochmals verkürzt:
if ( !( PINA & 0x01 ) ) {
test2();
}
</c>

== Warten auf einen bestimmten Zustand ==

Es gibt in der Bibliothek avr-libc Funktionen, die warten, bis ein bestimmter Zustand eines Bits erreicht ist. Es ist allerdings normalerweise eine eher unschöne Programmiertechnik, da in diesen Funktionen "blockierend" gewartet wird. Der Programmablauf bleibt also an dieser Stelle stehen, bis das maskierte Ereignis erfolgt ist. Setzt man den [[Watchdog]] ein, muss man darauf achten, dass dieser auch noch getriggert wird (Zurücksetzen des Watchdogtimers).

Die Funktion '''loop_until_bit_is_set''' wartet in einer Schleife, bis das definierte Bit gesetzt ist. Wenn das Bit beim Aufruf der Funktion bereits gesetzt ist, wird die Funktion sofort wieder verlassen. Das niederwertigste Bit hat die Bitnummer 0.

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

/* Warten bis Bit Nr. 2 (das dritte Bit) in Register PINA gesetzt (1) ist */

#define WARTEPIN PINA
#define WARTEBIT PA2

// mit der avr-libc Funktion:
loop_until_bit_is_set(WARTEPIN, WARTEBIT);

// dito in "C-Standard":
// Durchlaufe die (leere) Schleife solange das WARTEBIT in Register WARTEPIN
// _nicht_ ungleich 0 (also 0) ist.
while ( !(WARTEPIN & (1 << WARTEBIT)) ) {}
...
</c>

Die Funktion '''loop_until_bit_is_clear''' wartet in einer Schleife, bis das definierte Bit gelöscht ist. Wenn das Bit beim Aufruf der Funktion bereits gelöscht ist, wird die Funktion sofort wieder verlassen.

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

/* Warten bis Bit Nr. 4 (das fuenfte Bit) in Register PINB geloescht (0) ist */
#define WARTEPIN PINB
#define WARTEBIT PB4

// avr-libc-Funktion:
loop_until_bit_is_clear(WARTEPIN, WARTEBIT);

// dito in "C-Standard":
// Durchlaufe die (leere) Schleife solange das WARTEBIT in Register WARTEPIN
// gesetzt (1) ist
while ( WARTEPIN & (1<<WARTEBIT) ) {}
...
</c>

Universeller und auch auf andere Plattformen besser übertragbar ist die Verwendung von C-Standardoperationen.

Siehe auch:
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Special Function Registers
* [[Bitmanipulation]]

== 16-Bit Register (ADC, ICR1, OCR1x, TCNT1, UBRR) ==

Einige der Portregister in den AVR-Controllern sind 16 Bit breit. Im Datenblatt sind diese Register üblicherweise mit dem Suffix "L" (Low-Byte) und "H" (High-Byte) versehen. Die avr-libc definiert zusätzlich die meisten dieser Variablen die Bezeichnung ohne "L" oder "H". Auf diese Register kann dann direkt zugegriffen werden. Die ist zum Beispiel der Fall für Register wie ADC oder TCNT1.
<c>
#include <avr/io.h>
...
uint16_t foo;

/* setzt die Wort-Variable foo auf den Wert der letzten AD-Wandlung */
foo = ADC;
</c>

Bei anderen Registern, wie zum Beispiel Baudraten-Register, liegen High- und Low-Teil nicht direkt nebeneinander im SFR-Bereich, so dass ein 16-Bit Zugriff nicht möglich ist und der Zugriff zusammengebastelt werden muss:

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

#ifndef F_CPU
#define F_CPU 3686400
#endif
#define UART_BAUD_RATE 9600

...
uint16_t baud = F_CPU / (UART_BAUD_RATE * 16L) -1;

UBRRH = (uint8_t) (baud >> 8);
UBRRL = (uint8_t) baud;
...
</c>

Bei einigen AVR-Typen wie ATmega8 oder ATmega16 teilen sich UBRRH und UCSRC die gleiche Speicher-Adresse. Damit der AVR trotzdem zwischen den beiden Registern unterscheiden kann, bestimmt das Bit7 (URSEL), welches Register tatsächlich beschrieben werden soll. ''1000 0011'' (0x83) adressiert demnach UCSRC und übergibt den Wert ''3'' und ''0000 0011'' (0x3) adressiert UBRRH und übergibt ebenfalls den Wert ''3''.

Speziell bei den 16-Bit-Timern und auch beim ADC ist es bei allen Zugriffen auf Datenregister erforderlich, dass diese Daten synchronisiert sind. Wenn z. B. bei einem 16-Bit-Timer das High-Byte des Zählregisters gelesen wurde und vor dem Lesezugriff auf das Low-Byte ein Überlauf des Low-Bytes stattfindet, erhält man einen völlig unsinnigen Wert. Auch die Compare-Register müssen synchron geschrieben werden, da es ansonsten zu unerwünschten Compare-Ereignissen kommen kann.

Beim ADC besteht das Problem darin, dass zwischen den Zugriffen auf die beiden Teilregister eine Wandlung beendet werden kann und der ADC ein neues Ergebnis in ADCL und ADCH schreiben will, wodurch High- und Low-Byte nicht zusammenpassen.

Um diese Datenmüllproduktion zu verhindern, gibt es in beiden Fällen eine Synchronisation, die jeweils durch den Zugriff auf das Low-Byte ausgelöst wird:
* Bei den Timer-Registern (das gilt für alle TCNT-, OCR- und ICR-Register bei den 16-Bit-Timern) wird bei einem ''Lesezugriff'' auf das Low-Byte automatisch das High-Byte in ein temporäres Register, das ansonsten nach außen nicht sichtbar ist, geschoben. Greift man nun ''anschließend'' auf das High-Byte zu, dann wird eben dieses temporäre Register gelesen.
* Bei einem ''Schreibzugriff'' auf eines der genannten Register wird das High-Byte in besagtem temporären Register zwischengespeichert und erst beim Schreiben des Low-Bytes werden ''beide'' gleichzeitig in das eigentliche Register übernommen.

Das bedeutet für die Reihenfolge:
* Lesezugriff: Erst Low-Byte, dann High-Byte
* Schreibzugriff: Erst High-Byte, dann Low-Byte

Des weiteren ist zu beachten, dass es für all diese 16-Bit-Register nur ein einziges temporäres Register gibt, so dass das Auftreten eines Interrupts, in dessen Handler ein solches Register manipuliert wird, bei einem durch ihn unterbrochenen Zugriff i.d.R. zu Datenmüll führt. 16-Bit-Zugriffe sind generell nicht atomar! Wenn mit Interrupts gearbeitet wird, kann es erforderlich sein, vor einem solchen Zugriff auf ein 16-Bit-Register die Interrupt-Bearbeitung zu deaktivieren.

Beim ADC-Datenregister ADCH/ADCL ist die Synchronisierung anders gelöst. Hier wird beim Lesezugriff (ADCH/ADCL sind logischerweise read-only) auf das Low-Byte ADCL beide Teilregister für Zugriffe seitens des ADC so lange gesperrt, bis das High-Byte ADCH ausgelesen wurde. Dadurch kann der ADC nach einem Zugriff auf ADCL keinen neuen Wert in ADCH/ADCL ablegen, bis ADCH gelesen wurde. Ergebnisse von Wandlungen, die zwischen einem Zugriff auf ADCL und ADCH beendet werden, gehen verloren!

Nach einem Zugriff auf ADCL muss grundsätzlich ADCH gelesen werden!

In beiden Fällen – also sowohl bei den Timern als auch beim ADC – werden vom C-Compiler 16-Bit Pseudo-Register zur Verfügung gestellt (z. B. TCNT1H/TCNT1L → TCNT1, ADCH/ADCL → ADC bzw. ADCW), bei deren Verwendung der Compiler automatisch die richtige Zugriffsreihenfolge regelt. In C-Programmen sollten grundsätzlich diese 16-Bit-Register verwendet werden! Sollte trotzdem ein Zugriff auf ein Teilregister erforderlich sein, sind obige Angaben zu berücksichtigen.

Es ist darauf zu achten, dass auch ein Zugriff auf die 16-Bit-Register vom Compiler in zwei 8-Bit-Zugriffe aufgeteilt wird und dementsprechend genauso nicht-atomar ist wie die Einzelzugriffe. Auch hier gilt, dass u.U. die Interrupt-Bearbeitung gesperrt werden muss, um Datenmüll zu vermeiden.

Beim ADC gibt es für den Fall, dass eine Auflösung von 8 Bit ausreicht, die Möglichkeit, das Ergebnis "linksbündig" in ADCH/ADCL auszurichten, so dass die relevanten 8 MSB in ADCH stehen. In diesem Fall muss bzw. sollte nur ADCH ausgelesen werden.

ADC und ADCW sind unterschiedliche Bezeichner für das selbe Registerpaar. Üblicherweise kann man in C-Programmen ADC verwenden, was analog zu den anderen 16-Bit-Registern benannt ist. ADCW (ADC Word) existiert nur deshalb, weil die Headerdateien auch für Assembler vorgesehen sind und es bereits einen Assembler-Befehl namens ''adc'' gibt.

Im Umgang mit 16-Bit Registern siehe auch:
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Related Pages/Frequently Asked Questions/Nr. 8
* Datenblatt Abschnitt ''Accessing 16-bit Registers''

== IO-Register als Parameter und Variablen ==

Um Register als Parameter für eigene Funktionen übergeben zu können, muss man sie als einen volatile uint8_t Pointer übergeben. Zum Beispiel:

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

uint8_t key_pressed (volatile uint8_t *inputreg, uint8_t inputbit)
{
static uint8_t last_state = 0;

if (last_state == (*inputreg & (1<<inputbit)))
return 0; /* keine Änderung */

/* Wenn doch, warten bis etwaiges Prellen vorbei ist: */
_delay_ms(20);

/* Zustand für nächsten Aufruf merken: */
last_state = *inputreg & (1<<inputbit);

/* und den entprellten Tastendruck zurückgeben: */
return *inputreg & (1<<inputbit);
}

/* Beispiel für einen Funktionsaufruf: */

void foo (void)
{
uint8_t i = key_pressed (&PINB, PB1);
}
</c>

Ein Aufruf der Funktion mit call by value würde Folgendes bewirken: Beim Funktionseintritt wird nur eine Kopie des momentanen Portzustandes angefertigt, die sich unabhängig vom tatsächlichen Zustand das Ports nicht mehr ändert, womit die Funktion wirkungslos wäre. Die Übergabe eines Zeigers wäre die Lösung, wenn der Compiler nicht optimieren würde. Denn dadurch wird im Programm nicht von der Hardware gelesen, sondern wieder nur von einem Abbild im Speicher. Das Ergebnis wäre das gleiche wie oben. Mit dem Schlüsselwort volatile sagt man nun dem Compiler, dass die entsprechende Variable entweder durch andere Softwareroutinen (Interrupts) oder durch die Hardware verändert werden kann.

= Zugriff auf IO-Ports =

Jeder AVR implementiert eine unterschiedliche Menge an GPIO-Registern
(GPIO - General Purpose Input/Output). Diese Register dienen dazu:
* einzustellen welche der Anschlüsse ("Beinchen") des Controllers als Ein- oder Ausgänge dienen
* bei Ausgängen deren Zustand festzulegen
* bei Eingängen deren Zustand zu erfassen

Mittels GPIO werden digitale Zustände gesetzt und erfasst, d.h. die Spannung an einem Ausgang wird ein- oder ausgeschaltet und an einem Eingang wird erfasst, ob die anliegende Spannung über oder unter einem bestimmten Schwellwert liegt. Im Datenblatt Abschnitt Electrical Characteristics/DC Characteristics finden sich die Spannungswerte (V_OL, V_OH für Ausgänge, V_IL, V_IH für Eingänge).

Die Verarbeitung von analogen Eingangswerten und die Ausgabe von Analogwerten wird in Kapitel [[AVR-GCC-Tutorial#Analoge_Ein-_und_Ausgabe|Analoge Ein- und Ausgabe]] behandelt.

Alle Ports der AVR-Controller werden über Register gesteuert. Dazu sind jedem Port 3 Register zugeordnet:

{| class="wikitable"
|-
! DDRx
| Datenrichtungsregister für Port'''x'''.
'''x''' entspricht '''A''', '''B''', ''' C''', '''D''' usw. (abhängig von der Anzahl der Ports des verwendeten AVR). Bit im Register gesetzt (1) für Ausgang, Bit gelöscht (0) für Eingang.
|-
! PINx
| Eingangsadresse für Port'''x'''.
Zustand des Ports. Die Bits in PINx entsprechen dem Zustand der als Eingang definierten Portpins. Bit 1 wenn Pin "high", Bit 0 wenn Portpin low.
|-
! PORTx
| Datenregister für Port'''x'''.
Dieses Register wird verwendet, um die Ausgänge eines Ports anzusteuern. Bei Pins, die mittels DDRx auf Eingang geschaltet wurden, können über PORTx
die internen Pull-Up Widerstände aktiviert oder deaktiviert werden (1 = aktiv).
|}

Die folgenden Beispiele gehen von einem AVR aus, der sowohl Port A als auch Port B besitzt. Sie müssen für andere AVRs (zum Beispiel ATmega8/48/88/168) entsprechend angepasst werden.

== Datenrichtung bestimmen ==

Zuerst muss die Datenrichtung der verwendeten Pins bestimmt werden. Um dies zu erreichen, wird das Datenrichtungsregister des entsprechenden Ports beschrieben.

Für jeden Pin, der als Ausgang verwendet werden soll, muss dabei das
entsprechende Bit auf dem Port gesetzt werden. Soll der Pin als Eingang
verwendet werden, muss das entsprechende Bit gelöscht sein.

Beispiel:
Angenommen am Port B sollen die Pins 0 bis 4 als Ausgänge definiert werden, die noch verbleibenden Pins 5 bis 7 sollen als Eingänge fungieren. Dazu ist es daher notwendig, im für das Port B zuständigen Datenrichtungsregister DDRB folgende Bitkonfiguration einzutragen

+---+---+---+---+---+---+---+---+
| 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
+---+---+---+---+---+---+---+---+
7 6 5 4 3 2 1 0

In C liest sich das dann so:

<c>
// in io.h wird u.a. DDRB definiert:
#include <avr/io.h>

int main()
{
// Setzen der Bits 0,1,2,3 und 4
// Binär 00011111 = Hexadezimal 1F
// direkte Zuweisung - standardkonform */
DDRB = 0x1F; /*

// übersichtliche Alternative - Binärschreibweise, aber kein ISO-C
DDRB = 0b00011111;

// Ausführliche Schreibweise: identische Funktionalität, mehr Tipparbeit
// aber übersichtlicher und selbsterklärend:
DDRB = (1 << DDB0) | (1 << DDB1) | (1 << DDB2) | (1 << DDB3) | (1 << DDB4);
</c>

Die Pins 5 bis 7 werden (da 0) als Eingänge geschaltet. Weitere Beispiele:

<c>
// Alle Pins des Ports B als Ausgang definieren:
DDRB = 0xff;
// Pin0 wieder auf Eingang und andere im ursprünglichen Zustand belassen:
DDRB &= ~(1 << DDB0);
// Pin 3 und 4 auf Eingang und andere im ursprünglichen Zustand belassen:
DDRB &= ~((1 << DDB3) | (1 << DDB4));
// Pin 0 und 3 wieder auf Ausgang und andere im ursprünglichen Zustand belassen:
DDRB |= (1 << DDB0) | (1 << DDB3);
// Alle Pins auf Eingang:
DDRB = 0x00;
</c>

== Vordefinierte Bitnummern für I/O-Register ==

Die Bitnummern (z. B. PCx, PINCx und DDCx für den Port C) sind in den io*.h-Dateien der avr-libc definiert und dienen lediglich der besseren Lesbarkeit. Man muss diese Definitionen nicht verwenden oder kann auch einfach "immer" PAx, PBx, PCx usw. nutzen, auch wenn der Zugriff auf Bits in DDRx- oder PINx-Registern erfolgt. Für den Compiler sind die Ausdrücke (1<<PC7), (1<<DDC7) und (1<<PINC7) identisch zu (1<<7) (genauer: der Präprozessor ersetzt die Ausdrücke (1<<PC7),... zu (1<<7)). Ein Ausschnitt der Definitionen für Port C eines ATmega32 aus der iom32.h-Datei zur Verdeutlichung (analog für die weiteren Ports):

<c>
...
/* PORTC */
#define PC7 7
#define PC6 6
#define PC5 5
#define PC4 4
#define PC3 3
#define PC2 2
#define PC1 1
#define PC0 0

/* DDRC */
#define DDC7 7
#define DDC6 6
#define DDC5 5
#define DDC4 4
#define DDC3 3
#define DDC2 2
#define DDC1 1
#define DDC0 0

/* PINC */
#define PINC7 7
#define PINC6 6
#define PINC5 5
#define PINC4 4
#define PINC3 3
#define PINC2 2
#define PINC1 1
#define PINC0 0
</c>

== Digitale Signale ==

Am einfachsten ist es, digitale Signale mit dem Mikrocontroller zu erfassen bzw. auszugeben.

== Ausgänge ==
Will man als Ausgang definierte Pins (entsprechende DDRx-Bits = 1) auf Logisch 1 setzen, setzt man die entsprechenden Bits im Portregister.

Mit dem Befehl
<c>
#include <avr/io.h>
...
PORTB = 0x04; /* besser PORTB=(1<<PB2) */

// übersichtliche Alternative - Binärschreibweise
PORTB = 0b00000100; /* direkte Zuweisung - übersichtlich */

</c>
wird also der Ausgang an Pin PB2 gesetzt (Beachte, dass die Bits immer ''von 0 an'' gezählt werden, das niederwertigste Bit ist also Bitnummer 0 und nicht etwa Bitnummer 1).

Man beachte, dass bei der Zuweisung mittels '''=''' immer alle Pins gleichzeitig angegeben werden. Man sollte also, wenn nur bestimmte Ausgänge geschaltet werden sollen, zuerst den aktuellen Wert des Ports einlesen und das Bit des gewünschten Ports in diesen Wert einfließen lassen. Will man also nur den dritten Pin (Bit Nr. 2) an Port B auf "high" setzen und den Status der anderen Ausgänge unverändert lassen, nutze man diese Form:

<c>
#include <avr/io.h>
...
PORTB = PORTB | 0x04; /* besser: PORTB = PORTB | ( 1<<PB2 ) */
/* vereinfacht durch Nutzung des |= Operators : */
PORTB |= (1<<PB2);

/* auch mehrere "gleichzeitig": */
PORTB |= (1<<PB4) | (1<<PB5); /* Pins PB4 und PB5 "high" */
</c>

"Ausschalten", also Ausgänge auf "low" setzen, erfolgt analog:

<c>
#include <avr/io.h>
...
PORTB &= ~(1<<PB2); /* löscht Bit 2 in PORTB und setzt damit Pin PB2 auf low */
PORTB &= ~( (1<<PB4) | (1<<PB5) ); /* Pin PB4 und Pin PB5 "low" */
</c>
Siehe auch [[Bitmanipulation]]

In Quellcodes, die für ältere Version den des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, werden einzelne Bits mittels der Funktionen sbi und cbi gesetzt bzw. gelöscht. Beide Funktionen sind in aktuellen Versionen der avr-libc nicht mehr enthalten und auch nicht mehr erforderlich.

''Falls der Anfangszustand von Ausgängen kritisch ist, muss die Reihenfolge beachtet werden, mit der die Datenrichtung (DDRx) eingestellt und der Ausgabewert (PORTx) gesetzt wird:''

Für Ausgangspins, die mit Anfangswert "high" initialisiert werden sollen:
* zuerst die Bits im PORTx-Register setzen
* anschließend die Datenrichtung auf Ausgang stellen

Daraus ergibt sich die Abfolge für einen Pin, der bisher als Eingang mit abgeschaltetem Pull-Up konfiguriert war:
* setze PORTx: interner Pull-Up aktiv
* setze DDRx: Ausgang ("high")

Bei der Reihenfolge erst DDRx und dann PORTx kann es zu einem kurzen "low-Puls" kommen, der auch externe Pull-Up-Widerstände "überstimmt". Die (ungünstige) Abfolge: Eingang -> setze DDRx: Ausgang (auf "low", da PORTx nach Reset 0) -> setze PORTx: Ausgang auf high. Vergleiche dazu auch das Datenblatt Abschnitt ''Configuring the Pin''.

== Eingänge (Wie kommen Signale in den µC) ==

Die digitalen Eingangssignale können auf verschiedene Arten zu unserer Logik gelangen.

=== Signalkopplung ===

Am einfachsten ist es, wenn die Signale direkt aus einer anderen digitalen Schaltung übernommen werden können. Hat der Ausgang der entsprechenden Schaltung TTL-Pegel dann können wir sogar direkt den Ausgang der Schaltung mit einem Eingangspin von unserem Controller verbinden.

Hat der Ausgang der anderen Schaltung keinen TTL-Pegel so müssen wir den Pegel über entsprechende Hardware (z. B. Optokoppler, [[Widerstand#Spannungsteiler|Spannungsteiler]], "Levelshifter" aka [[Pegelwandler]]) anpassen.

Die Masse der beiden Schaltungen muss selbstverständlich miteinander verbunden werden. Der Software selber ist es natürlich letztendlich egal, wie das Signal eingespeist wird. Wir können ja ohnehin lediglich prüfen, ob an einem Pin unseres Controllers eine logische 1 (Spannung größer ca. 0,7*Vcc) oder eine logische 0 (Spannung kleiner ca. 0,2*Vcc) anliegt. Detaillierte Informationen darüber, ab welcher Spannung ein Eingang als 0 ("low") bzw. 1 ("high") erkannt wird, liefert die Tabelle DC Characteristics im Datenblatt des genutzten Controllers.

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''Spannungstabelle''' (ca. Grenzwerte)
|
! Low || High
|-
! bei 5 V
| 1 V || 3,5 V
|-
! bei 3,3 V
| 0,66 V || 2,31 V
|-
! bei 1,8 V
| 0,36 V || 1,26 V
|}

Die Abfrage der Zustände der Portpins erfolgt direkt über den Registernamen.

{{Warnung|Dabei ist wichtig, zur Abfrage der Eingänge ''nicht'' etwa Portregister '''PORTx''' zu verwenden, sondern Eingangsregister '''PINx'''. Ansonsten liest man nicht den Zustand der Eingänge, sondern den Status der internen Pull-Up-Widerstände. Die Abfrage der Pinzustände über PORTx statt PINx ist ein häufiger Fehler beim AVR-"Erstkontakt".}}

Will man also die aktuellen Signalzustände von Port D abfragen und in eine Variable namens bPortD abspeichern, schreibt man folgende Befehlszeilen:

<c>
#include <avr/io.h>
#include <stdint.h>
...
uint8_t bPortD;
...
bPortD = PIND;
...
</c>

Mit den C-Bitoperationen kann man den Status der Bits abfragen.

<c>
#include <avr/io.h>
...
/* Fuehre Aktion aus, wenn Bit Nr. 1 (das "zweite" Bit) in PINC gesetzt (1) ist */
if ( PINC & (1<<PINC1) ) {
/* Aktion */
}

/* Fuehre Aktion aus, wenn Bit Nr. 2 (das "dritte" Bit) in PINB geloescht (0) ist */
if ( !(PINB & (1<<PINB2)) ) {
/* Aktion */
}
...
</c>
Siehe auch [[Bitmanipulation#Bits_prüfen]]

=== Interne Pull-Up Widerstände ===

Portpins für Ein- und Ausgänge (GPIO) eines AVR verfügen über zuschaltbare interne Pull-Up Widerstände (nominal mehrere 10kOhm, z. B. ATmega16 20-50kOhm). Diese können in vielen Fällen statt externer Widerstände genutzt werden.

Die internen Pull-Up Widerstände von Vcc zu den einzelnen Portpins werden über das Register ''' PORTx''' aktiviert bzw. deaktiviert, wenn ein Pin als ''' Eingang''' geschaltet ist.

Wird der Wert des entsprechenden Portpins auf 1 gesetzt, so ist der Pull-Up Widerstand aktiviert. Bei einem Wert von 0 ist der Pull-Up Widerstand nicht aktiv. Man sollte jeweils entweder den internen oder einen externen Pull-Up Widerstand verwenden, aber nicht beide zusammen.

Im Beispiel werden alle Pins des Ports D als Eingänge geschaltet und alle Pull-Up Widerstände aktiviert. Weiterhin wird Pin PC7 als Eingang geschaltet und dessen interner Pull-Up Widerstand aktiviert, ohne die Einstellungen für die anderen Portpins (PC0-PC6) zu verändern.

<c>
#include <avr/io.h>
...
DDRD = 0x00; /* alle Pins von Port D als Eingang */
PORTD = 0xff; /* interne Pull-Ups an allen Port-Pins aktivieren */
...
DDRC &= ~(1<<PC7); /* Pin PC7 als Eingang */
PORTC |= (1<<PC7); /* internen Pull-Up an PC7 aktivieren */
</c>

=== Tasten und Schalter ===

Der Anschluss mechanischer Kontakte an den Mikrocontroller, ist zwischen zwei unterschiedliche Methoden zu unterscheiden: ''Active Low'' und ''Active High''.

<gallery widths="300" heights="300" caption="Anschluss mechanischer Kontakte an einen µC">
Image:Active Low.gif|'''Active Low:''' Bei dieser Methode wird der Kontakt zwischen den Eingangspin des Controllers und Masse geschaltet. Damit bei offenem Schalter der Controller kein undefiniertes Signal bekommt, wird zwischen die Versorgungsspannung und den Eingangspin ein sogenannter '''Pull-Up''' Widerstand geschaltet. Dieser dient dazu, den Pegel bei geöffnetem Schalter auf logisch 1 zu ziehen.
Image:Active High.gif|'''Active High:''' Hier wird der Kontakt zwischen die Versorgungsspannung und den Eingangspin geschaltet. Damit bei offener Schalterstellung kein undefiniertes Signal am Controller ansteht, wird zwischen den Eingangspin und die Masse ein '''Pull-Down''' Widerstand geschaltet. Dieser dient dazu, den Pegel bei geöffneter Schalterstellung auf logisch 0 zu halten.
</gallery>

Der Widerstandswert von Pull-Up- und Pull-Down-Widerständen ist an sich nicht kritisch. Wird er allerdings zu hoch gewählt, ist die Wirkung eventuell nicht gegeben. Als üblicher Wert haben sich 10 kOhm eingebürgert. Die AVRs verfügen an den meisten Pins über zuschaltbare interne Pull-Up Widerstände (vgl. Abschnitt [[AVR-GCC-Tutorial#Interne Pull-Up Widerstände|Interne Pull-Up Widerstände]]), welche insbesondere wie hier bei Tastern und ähnlichen Bauteilen (z. B. Drehgebern) statt externer Bauteile verwendet werden können. Interne Pull-Down-Widerstand sind nicht verfügbar und müssen daher in Form zusätzlicher Bauteile in die Schaltung eingefügt werden.

==== (Tasten-)Entprellung ====

Siehe: ''[[Entprellung#Warteschleifen-Verfahren|Entprellung: Warteschleifen-Verfahren]]

= Analoge Ein- und Ausgabe =

Analoge Eingangswerte werden in der Regel über den AVR Analog-Digital-Converter (AD-Wandler, ADC) eingelesen, der in vielen Typen verfügbar ist (typisch 10bit Auflösung). Durch diesen werden analoge Signale (Spannungen) in digitale Zahlenwerte gewandelt. Bei AVRs, die über keinen internen AD-Wandler verfügen (z. B. ATmega162), kann durch externe Beschaltung (R/C-Netzwerk und "Zeitmessung") die Funktion des AD-Wandlers "emuliert" werden.

Es gibt innerhalb der ATMega- und ATTiny-AVR Reihe keine Typen mit eingebautem Digital-Analog-Konverter (DAC) - diese Funktion ist erst ab der XMEGA-Reihe der AVR-Familie verfügbar, die aber wegen ihrer vielen Unterschiede im Umfang dieses Tutorials nicht behandelt wird.
Die Umsetzung zu einer analogen Spannung muss daher durch externe Komponenten vorgenommen werden. Das kann z. B. durch PWM und deren Filterung zu (fast) DC, oder einem sogenannten R2R-Netzwerk erfolgen.

Unabhängig davon besteht natürlich immer die Möglichkeit, spezielle Bausteine zur Analog-Digital- bzw. Digital-Analog-Wandlung zu nutzen und diese über eine digitale Schnittstelle (z.b. SPI oder I2C) mit einem AVR anzusteuern.

== AC (Analog Comparator) ==

Der Comparator vergleicht 2 Spannungen an den Pins AIN0 und AIN1 und gibt einen Status aus welche der beiden Spannungen größer ist. AIN0 Dient dabei als Referenzspannung (Sollwert) und AIN1 als Vergleichsspannung (Istwert). Als Referenzspannung kann auch alternativ eine interne Referenzspannung ausgewählt werden.

Liegt die Vergleichsspannung (IST) unter der der Referenzspannung (SOLL) gibt der Comperator eine logische 1 aus. Ist die Vergleichsspannung hingegen größer als die Referenzspannung wird eine logische 0 ausgegeben.

Der Comparator arbeitet völlig autark bzw. parallel zum Prozessor. Für mobile Anwendungen empfiehlt es sich ihn abzuschalten sofern er nicht benötigt wird, da er ansonsten Strom benötigt. Der Comparator kann Interruptgesteuert abgefragt werden oder im Pollingbetrieb.

Das Steuer- bzw. Statusregister ist wie folgt aufgebaut:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''ACSR - Analog Comparator Status Register'''
|-
! Bit
| 7|| 6|| 5|| 4|| 3|| 2|| 1|| 0
|-
! Name
| '''ACD'''|| '''ACBG'''|| '''ACO'''|| '''ACI'''|| '''ACIE'''|| '''ACIC'''|| '''ACIS1'''|| '''ACIS0'''
|-
! R/W
| R/W|| R/W|| R|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W
|-
! Initialwert
| 0|| 0|| n/a|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0
|}

;Bit 7 ACD: Analog Comparator Disable: 0 = Comparator ein, 1 = Comparator aus. Wird dieses Bit geändert kann ein Interrupt ausgelöst werden. Soll dies vermieden werden muss das Bit 3 ACIE ggf. abgeschaltet werden.

;Bit 6 ACBG: Analog Comparator Bandgap Select: Ermöglicht das umschalten zwischen interner und externer Referenzspannung. 1 = interne (~1,3 Volt), 0 = externe Referenzspannung (an Pin AIN0)

;Bit 5 ACO: Analog Comparator Output: Hier wird das Ergebnis des Vergleichs angezeigt. Es liegt typischerweise nach 1-2 Taktzyklen vor.
:: IST < SOLL → 1
:: IST > SOLL → 0

;Bit 4 ACI: Analog Comparator Interrupt Flag: Dieses Bit wird von der Hardware gesetzt, wenn ein Interruptereignis, das in Bit 0 und 1 definiert ist, eintritt. Dieses Bit löst noch keinen Interrupt aus! Die Interruptroutine wird nur dann ausgeführt, wenn das Bit 3 ACIE gesetzt ist und global Interrupts erlaubt sind (I-Bit in SREG gesetzt). Das Bit 4 ACI wird wieder gelöscht, wenn die Interruptroutine ausgeführt wurde oder wenn es manuell auf 1! gesetzt wird. Das Bit kann für Abfragen genutzt werden, steuert oder konfiguriert aber nicht den Comparator.

;Bit 3 ACIE: Analog Comparator Interrupt Enable: Ist das Bit auf 1 gesetzt, wird immer ein Interrupt ausgelöst, wenn das Ereignis das in Bit 1 und 0 definiert ist, eintritt.

;Bit 2 ACIC: Analog Comparator Input Capture Enable: Wird das Bit gesetzt, wird der Comparatorausgang intern mit dem Counter 1 verbunden. Es könnten damit z.b. die Anzahl der Vergleiche im Counter1 gezählt werden. Um den Comparator an den Timer1 Input Capture Interrupt zu verbinden, muss im Timerregister das TICIE1 Bit auf 1 gesetzt werden. Der Trigger wird immer dann ausgelöst, wenn das in Bit 1 und 0 definierte Ereignis eintritt.

;Bit 1,0 ACIS1,ACIS0: Analog Comparator Interrupt select: Hier wird definiert, welche Ereignisse einen Interrupt auslösen sollen:
:* 00 = Interrupt auslösen bei jedem Flankenwechsel
:* 10 = Interrupt auslösen bei fallender Flanke
:* 11 = Interrupt auslösen bei steigender Flanke

Werden diese Bit geändert, kann ein Interrupt ausgelöst werden. Soll dies vermieden werden, muss das Bit 3 gelöscht werden.

== ADC (Analog Digital Converter) ==

Der Analog-Digital-Konverter (ADC) wandelt analoge Signale in digitale Werte um, welche vom Controller interpretiert werden können. Einige AVR-Typen haben bereits einen mehrkanaligen Analog-Digital-Konverter eingebaut. Die Feinheit, mit welcher ein analoges Signal aufgelöst werden kann, wird durch die Auflösung des ADC, d.h. durch die Anzahl der verwendeten Bits angegeben. So sind derzeit bspw. 8-Bit- oder 10-Bit-ADC im Einsatz. ADCs, die in AVRs enthalten sind, haben zur Zeit eine maximale Auflösung von 10-Bit.

Ein ADC mit 8 Bit Auflösung kann somit das analoge Signal in Abstufungen von 1/256 des Maximalwertes digitalisieren. Wenn wir nun mal annehmen, wir hätten eine Eingangspannung zwischen 0 und 5 Volt, eine Referenzspannung von 5 V und eine Auflösung von 3 Bit, dann könnten
Intervalle mit den Grenzen 0 V, 0.625 V, 1.25 V, 1.875 V, 2.5 V, 3.125 V, 3.75 V, 4.375 V, 5 V entsprechend folgender Tabelle unterschieden werden:

::{| class="wikitable" style="text-align:center"
! Eingangsspannung am ADC / V || Entsprechender Messwert
|-
| 0 – 0.625 || 0
|-
| 0.625 – 1.25 || 1
|-
| 1.25 – 1.875 || 2
|-
| 1.875 – 2.5 || 3
|-
| 2.5 – 3.125 || 4
|-
| 3.125 – 3.75 || 5
|-
| 3.75 – 4.375 || 6
|-
| 4.375 – 5 || 7
|}

Die Angaben sind natürlich nur ungefähr. Je höher nun die Auflösung des Analog-Digital-Konverters ist, also, je mehr Bits er hat, desto genauer kann der jeweilige Wert erfasst werden.

=== Der interne ADC im AVR ===

Oft sind auch mehrere Kanäle verfügbar. Kanäle heißt in diesem Zusammenhang, dass zwar bis zu zehn analoge Eingänge am AVR vorhanden sind, aber nur ein "echter" Analog-Digital-Wandler zur Verfügung steht. Vor der eigentlichen Messung ist also festzulegen, welcher Kanal ("Pin") mit dem Wandler verbunden und gemessen wird.

Die Umwandlung innerhalb des AVR basiert auf der schrittweisen Näherung. Beim AVR müssen die Pins '''AGND''' und '''AVCC''' beschaltet werden. Für genaue Messungen sollte AVCC über ein L-C Netzwerk mit VCC verbunden werden, um Spannungsspitzen und -einbrüche vom Analog-Digital-Wandler fernzuhalten. Im Datenblatt findet sich dazu eine Schaltung, die 10uH und 100nF vorsieht.

Das Ergebnis der Analog-Digital-Wandlung wird auf eine Referenzspannung bezogen. Aktuelle AVRs bieten drei Möglichkeiten zur Wahl dieser Spannung:

* Eine externe Referenzspannung von maximal '''Vcc''' am Anschlusspin '''AREF'''. Die minimale (externe) Referenzspannung darf jedoch nicht beliebig niedrig sein, vgl. dazu das (aktuellste) Datenblatt des verwendeten Controllers.

* Verfügt der AVR über eine interne Referenzspannung, kann diese genutzt werden. Alle aktuellen AVRs mit internem AD-Wandler sollten damit ausgestattet sein (vgl. Datenblatt: 2,56V oder 1,1V je nach Typ). Das Datenblatt gibt auch über die Genauigkeit dieser Spannung Auskunft.

* Es kann die Spannung AVcc als Referenzspannung herangezogen werden

Bei Nutzung von AVcc oder der internen Referenz wird empfohlen, einen Kondensator zwischen dem AREF-Pin und GND anzuordnen. Die Festlegung, welche Spannungsreferenz genutzt wird, erfolgt z. B. beim ATmega16 mit den Bits REFS1/REFS0 im ADMUX-Register. Die zu messende Spannung muss im Bereich zwischen '''AGND''' und '''AREF''' (egal ob intern oder extern) liegen.

Der '''ADC''' kann in zwei verschiedenen Betriebsarten verwendet werden:

; Einfache Wandlung (Single Conversion) : In dieser Betriebsart wird der Wandler bei Bedarf vom Programm angestoßen für jeweils eine Messung.

; Frei laufend (Free Running) : In dieser Betriebsart erfasst der Wandler permanent die anliegende Spannung und schreibt diese in das '''ADC Data Register'''.

==== Die Register des ADC ====

Der '''ADC''' verfügt über eigene Register. Im Folgenden die Registerbeschreibung eines ATMega16, welcher über 8 ADC-Kanäle verfügt. Die Register unterscheiden sich jedoch nicht erheblich von denen anderer AVRs (vgl. Datenblatt).

{| class="wikitable"
|-
| '''ADCSRA   '''
| '''ADC''' '''C'''ontrol and '''S'''tatus '''R'''egister A. 
In diesem Register stellen wir ein, wie wir den '''ADC''' verwenden möchten. 
Das Register ist wie folgt aufgebaut:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7|| 6|| 5|| 4|| 3|| 2|| 1|| 0
|-
! Name
| '''ADEN'''|| '''ADSC'''|| '''ADFR'''|| '''ADIF'''|| '''ADIE'''|| '''ADPS2'''|| '''ADPS1'''|| '''ADPS0'''
|-
! R/W
| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W
|-
! Initialwert
| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0
|}

'''ADEN''' ('''AD'''C '''En'''able)
:Dieses Bit muss gesetzt werden, um den ''' ADC''' überhaupt zu aktivieren. Wenn das Bit nicht gesetzt ist, können die Pins wie normale I/O-Pins verwendet werden.

'''ADSC''' ('''AD'''C '''S'''tart '''C'''onversion)
:Mit diesem Bit wird ein Messvorgang gestartet. In der frei laufenden Betriebsart muss das Bit gesetzt werden, um die kontinuierliche Messung zu aktivieren.
:Wenn das Bit nach dem Setzen des '''ADEN'''-Bits zum ersten Mal gesetzt wird, führt der Controller zuerst eine zusätzliche Wandlung und erst dann die eigentliche Wandlung aus. Diese zusätzliche Wandlung wird zu Initialisierungszwecken durchgeführt.
:Das Bit bleibt nun so lange auf 1, bis die Umwandlung abgeschlossen ist, im Initialisierungsfall entsprechend bis die zweite Umwandlung erfolgt ist und geht danach auf 0.

'''ADFR''' ('''AD'''C '''F'''ree '''R'''un select)
:Mit diesem Bit wird die Betriebsart eingestellt.
:Ist das Bit auf 1 gesetzt arbeitet der ADC im "Free Running"-Modus. Dabei wird das Datenregister permanent aktualisiert. Ist das Bit hingegen auf 0 gesetzt, macht der ADC nur eine "Single Conversion".

'''ADIF''' ('''AD'''C '''I'''nterrupt '''F'''lag)
:Dieses Bit wird vom ''' ADC''' gesetzt, sobald eine Umwandlung erfolgt ist und das '''ADC Data Register''' aktualisiert wurde. Das Bit wird bei lesendem Zugriff auf '''ADC(L,H)''' automatisch (d.h. durch die Hardware) gelöscht.
:Wenn das '''ADIE''' Bit sowie das '''I-Bit''' im AVR '''Statusregister''' gesetzt ist, wird der '''ADC Interrupt''' ausgelöst und die Interrupt-Behandlungsroutine aufgerufen.
:Das Bit wird automatisch gelöscht, wenn die Interrupt-Behandlungsroutine aufgerufen wird. Es kann jedoch auch gelöscht werden, indem eine logische '''1'''! in das Register geschrieben wird.

'''ADIE''' ('''AD'''C '''I'''nterrupt '''E'''nable)
:Wenn dieses Bit gesetzt ist und ebenso das ''' I-Bit''' im Statusregister '''SREG''', dann wird der ''' ADC-Interrupt''' aktiviert.

'''ADPS2...ADPS0''' ('''AD'''C '''P'''rescaler '''S'''elect Bits)
:Diese Bits bestimmen den Teilungsfaktor zwischen der Taktfrequenz und dem Eingangstakt des '''ADC'''.
:Der '''ADC''' benötigt einen eigenen Takt, welchen er sich selber aus der CPU-Taktfreqenz erzeugt. Der '''ADC'''-Takt sollte zwischen 50 und 200kHz liegen.
:Der Vorteiler muss also so eingestellt werden, dass CPU-Taktfrequenz dividiert durch den Teilungsfaktor einen Wert im Bereich '''(50-200)kHz''' ergibt.
:Bei einer CPU-Taktfrequenz von 4MHz beispielsweise rechnen wir

:<math>
\begin{matrix}
TF_{min}=\frac{CLK}{200\,\mathrm{kHz}}=\frac{4000000}{200000}=\mathbf{20}
\\
\\
TF_{max}=\frac{CLK}{50\,\mathrm{kHz}}=\frac{4000000}{50000}=\mathbf{80}
\end{matrix}
</math>

:Somit kann hier der Teilungsfaktor 32 oder 64 verwendet werden. Im Interesse der schnelleren Wandlungszeit werden wir hier den Faktor 32 einstellen.

:{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! '''ADPS2'''|| '''ADPS1'''|| '''ADPS0'''|| '''Teilungsfaktor'''
|-
| 0|| 0|| 0|| 2
|-
| 0|| 0|| 1|| 2
|-
| 0|| 1|| 0|| 4
|-
| 0|| 1|| 1|| 8
|-
| 1|| 0|| 0|| 16
|-
| 1|| 0|| 1|| 32
|-
| 1|| 1|| 0|| 64
|-
| 1|| 1|| 1|| 128
|}

|-
| '''ADCL''' 
'''ADCH'''
| '''ADC ''' Data Register 
Wenn eine Umwandlung abgeschlossen ist, befindet sich der gemessene Wert in
diesen beiden Registern. Von '''ADCH''' werden nur die beiden niederwertigsten Bits verwendet. Es müssen immer beide Register ausgelesen werden, und zwar immer '''in der Reihenfolge: ADCL, ADCH'''.
Der effektive Messwert ergibt sich dann zu:

<c>
x = ADCL; // mit uint16_t x
x += (ADCH<<8); // in zwei Zeilen (LSB/MSB-Reihenfolge und
// C-Operatorpriorität sichergestellt)
</c>

oder

<c>
x = ADCW; // je nach AVR auch x = ADC (siehe avr/ioxxx.h)
</c>

|-
| '''ADMUX  '''
| '''AD'''C '''Mu'''ltiple'''x'''er Select Register 
Mit diesem Register wird der zu messende Kanal ausgewählt. Beim 90S8535
kann jeder Pin von Port A als '''ADC'''-Eingang verwendet werden (=8 Kanäle). 
Das Register ist wie folgt aufgebaut:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7|| 6|| 5|| 4|| 3|| 2|| 1|| 0
|-
! Name
| '''REFS1'''|| '''REFS0'''|| '''ADLAR'''|| '''MUX4'''|| '''MUX3'''|| '''MUX2'''|| '''MUX1'''|| '''MUX0'''
|-
! '''R/W'''
| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W
|-
! Initialwert
| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0
|}

'''REFS1...REFS0''' ('''Ref'''erence'''S'''election Bits)
:Mit diesen Bits kann die Referenzspannung eingestellt werden. Bei der Umstellung sind Wartezeiten zu beachten, bis die ADC-Hardware einsatzfähig ist (Datenblatt und [http://www.mikrocontroller.net/topic/165513]):

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! '''REFS1'''|| '''REFS0'''|| '''Referenzspanung'''
|-
| 0|| 0|| Externes AREF
|-
| 0|| 1|| AVCC als Referenz
|-
| 1|| 0|| Reserviert
|-
| 1|| 1|| Interne 2,56 Volt
|}

'''ADLAR''' ('''ADC ''' '''L'''eft '''A'''djust '''R'''esult)
:Das ADLAR Bit verändert das Aussehen des Ergebnisses der AD-Wandlung. Bei einer logischen 1 wird das Ergebnis linksbündig ausgegeben, bei einer 0 rechtsbündig. Eine Änderung in diesem Bit beeinflusst das Ergebnis sofort, ganz egal ob bereits eine Wandlung läuft.

'''MUX4...MUX0'''
:Mit diesen 5 Bits wird der zu messende Kanal bestimmt. Wenn man einen einfachen 1-kanaligen ADC verwendet wird einfach die entsprechende Pinnummer des Ports in die Bits 0...4 eingeschrieben (je nach Anzahl der Wandler des AVR, bei 8 AD-Kanälen halt nur 0...2).
:Wenn das Register beschrieben wird, während eine Umwandlung läuft, so wird zuerst die aktuelle Umwandlung auf dem bisherigen Kanal beendet. Dies ist vor allem beim frei laufenden Betrieb zu berücksichtigen.

:Eine Empfehlung ist deswegen diese, dass der frei laufende Betrieb nur bei einem einzelnen zu verwendenden Analogeingang verwendet werden sollte, wenn man sich Probleme bei der Umschalterei ersparen will.
|}

==== Nutzung des ADC ====

Um den ''' ADC''' zu aktivieren, müssen wir das '''ADEN'''-Bit im '''ADCSR'''-Register setzen. Im gleichen Schritt legen wir auch die Betriebsart fest.

Ein kleines Beispiel für den "single conversion"-Mode bei einem ATmega169 und Nutzung der internen Referenzspannung (beim '169 1,1V bei anderen AVRs auch 2,56V). D.h. das Eingangssignal darf diese Spannung nicht überschreiten, gegebenenfalls muss es mit einem [[Spannungsteiler]] verringert werden. Das Ergebnis der Routine ist der ADC-Wert, also 0 für 0-Volt und 1023 für V_ref-Volt.

In der praktischen Anwendung wird man zum Programmstart den ADC erst einmal grundlegend konfigurieren und dann auf verschiedenen Kanälen messen. Diese beiden Dinge sollte man meist trennen, denn das Einschalten des ADC und vor allem der Referenzspannung dauert ein paar Dutzend Mikrosekunden. Außerdem ist das erste Ergebnis nach dem Einschalten ungültig und muss verworfen werden.

<c>

/* ADC initialisieren */
void ADC_Init(void) {

uint16_t result;

// ADMUX = (0<<REFS1) | (1<<REFS0); // AVcc als Referenz benutzen
ADMUX = (1<<REFS1) | (1<<REFS0); // interne Referenzspannung nutzen
// Bit ADFR ("free running") in ADCSRA steht beim Einschalten
// schon auf 0, also single conversion
ADCSRA = (1<<ADPS1) | (1<<ADPS0); // Frequenzvorteiler
ADCSRA |= (1<<ADEN); // ADC aktivieren

/* nach Aktivieren des ADC wird ein "Dummy-Readout" empfohlen, man liest
also einen Wert und verwirft diesen, um den ADC "warmlaufen zu lassen" */

ADCSRA |= (1<<ADSC); // eine ADC-Wandlung
while (ADCSRA & (1<<ADSC) ) {} // auf Abschluss der Konvertierung warten
/* ADCW muss einmal gelesen werden, sonst wird Ergebnis der nächsten
Wandlung nicht übernommen. */
result = ADCW;
}

/* ADC Einzelmessung */
uint16_t ADC_Read( uint8_t channel )
{
// Kanal waehlen, ohne andere Bits zu beeinflußen
ADMUX = (ADMUX & ~(0x1F)) | (channel & 0x1F);
ADCSRA |= (1<<ADSC); // eine Wandlung "single conversion"
while (ADCSRA & (1<<ADSC) ) {} // auf Abschluss der Konvertierung warten
return ADCW; // ADC auslesen und zurückgeben
}

/* ADC Mehrfachmessung mit Mittelwertbbildung */
uint16_t ADC_Read_Avg( uint8_t channel, uint8_t average )
{
uint32_t result = 0;

for (uint8_t i = 0; i < average; ++i )
result += ADC_Read( channel );

return (uint16_t)( result / average );
}

...

/* Beispielaufrufe: */

int main()
{
uint16_t adcval;
ADC_Init();

while( 1 ) {
adcval = ADC_Read(0); // Kanal 0
// mach was mit adcval

adcval = ADC_Read_Avg(2, 4); // Kanal 2, Mittelwert aus 4 Messungen
// mach was mit adcval
}
}

</c>

Im Beispiel läuft der ADC ständig. Für den Fall, dass man Strom sparen will, z.B. mittels Verwendung des [[Sleep Mode]]s, muss man den ADC nach jeder Messung abschalten und vor der nächsten Messung wieder einschalten, wobei auch dann wieder eine kleine Pause und Anfangswandlung nötig sind.



=== Analog-Digital-Wandlung ohne internen ADC ===

==== Messen eines Widerstandes ====

[[Image:Poti.gif|framed|right]]
Analoge Werte lassen sich ohne Analog-Digital-Wandler auch indirekt ermitteln. Im Folgenden wird die Messung des an einem Potentiometer eingestellten Widerstands anhand der Ladekurve eines Kondensators erläutert. Bei dieser Methode wird nur ein Portpin benötigt, ein Analog-Digital-Wandler oder Analog-Comparator ist nicht erforderlich. Es wird dazu ein Kondensator und der Widerstand (das Potentiometer) in Reihe zwischen Vorsorgungsspannung und Masse/GND geschaltet (sogen. RC-Netzwerk). Zusätzlich wird eine Verbindung der Leitung zwischen Kondensator und Potentiometer zu einem Portpin des Controllers hergestellt. Die folgende Abbildung verdeutlicht die erforderliche Schaltung.

Wird der Portpin des Controllers auf Ausgang konfiguriert (im Beispiel ''DDRD |= (1<<PD2)'') und dieser Ausgang auf Logisch 1 ("High", ''PORTD |= (1<<PD2)'') geschaltet, liegt an beiden "Platten" des Kondensators das gleiche Potential '''VCC''' an und der Kondensator somit entladen. (Klingt komisch, mit ''' Vcc''' entladen, ist aber so, da an beiden Seiten des Kondensators das gleiche Potential anliegt und somit eine Potentialdifferenz von 0V besteht => Kondensator ist entladen).

Nach einer gewissen Zeit ist der Kondensator entladen und der Portpin wird als Eingang konfiguriert (''DDRD &= ~(1<<PD2); PORTD &= ~(1<<PD2)''), wodurch dieser hochohmig wird. Der Status des Eingangspin (in PIND) ist Logisch 1 (High). Der Kondensator lädt sich jetzt über das Poti auf, dabei steigt der Spannungsabfall über dem Kondensator und derjenige über dem Poti sinkt. Fällt nun der Spannungsabfall über dem Poti unter die Threshold-Spannung des Eingangspins (2/5 Vcc, also ca. 2V), wird das Eingangssignal als LOW erkannt (Bit in PIND wird 0). Die Zeitspanne zwischen der Umschaltung von Entladung auf Aufladung und dem Wechsel des Eingangssignals von High auf Low ist ein Maß für den am Potentiometer eingestellten Widerstand. Zur Zeitmessung kann einer der im Controller vorhandenen Timer genutzt werden. Der 220 Ohm Widerstand dient dem Schutz des Controllers. Es würde sonst bei Maximaleinstellung des Potentionmeters (hier 0 Ohm) ein zu hoher Strom fließen, der die Ausgangsstufe des Controllers zerstört.

Mit einem weiteren Eingangspin und ein wenig Software können wir auch eine Kalibrierung realisieren, um den Messwert in einen vernünftigen Bereich (z.B: 0...100 % oder so) umzurechnen.



==== ADC über Komparator ====

[[Image:ADC ueber Komparator.gif|framed|right]]
Es gibt einen weiteren Weg, eine analoge Spannung mit Hilfe des
Komparators, welcher in fast jedem AVR integriert ist, zu messen. Siehe dazu
auch die Application Note AVR400 von Atmel.

Dabei wird das zu messende Signal auf den invertierenden Eingang
des Komparators geführt. Zusätzlich wird ein Referenzsignal an den nicht
invertierenden Eingang des Komparators angeschlossen. Das Referenzsignal wird
hier auch wieder über ein RC-Glied erzeugt, allerdings mit festen Werten für R
und C.

Das Prinzip der Messung ist nun dem vorhergehenden recht
ähnlich. Durch Anlegen eines LOW-Pegels an Pin 2 wird der Kondensator zuerst
einmal entladen. Auch hier muss darauf geachtet werden, dass der Entladevorgang
genügend lang dauert.
Nun wird Pin 2 auf HIGH gelegt. Der Kondensator wird geladen. Wenn die Spannung
über dem Kondensator die am Eingangspin anliegende Spannung erreicht hat,
schaltet der Komparator durch. Die Zeit, welche benötigt wird, um den
Kondensator zu laden, kann nun auch wieder als Maß für die Spannung an Pin 1
herangezogen werden.

Ich habe es mir gespart, diese Schaltung auch aufzubauen, und zwar aus mehreren Gründen:

# 3 Pins notwendig.
# Genauigkeit vergleichbar mit einfacherer Lösung.
# War einfach zu faul.

Der Vorteil dieser Schaltung liegt allerdings darin, dass damit direkt Spannungen gemessen werden können.

== DAC (Digital Analog Converter) ==

Mit Hilfe eines Digital-Analog-Konverters ('''DAC''') können wir nun auch Analogsignale ausgeben. Es gibt hier mehrere Verfahren. 

=== DAC über mehrere digitale Ausgänge ===

Wenn wir an den Ausgängen des Controllers ein entsprechendes
Widerstandsnetzwerk aufbauen haben wir die Möglichkeit, durch die Ansteuerung
der Ausgänge über den Widerständen einen Addierer aufzubauen, mit dessen
Hilfe wir eine dem Zahlenwert proportionale Spannung erzeugen können. Das
Schaltbild dazu kann etwa so aussehen:

[[Image:DAC R2R.gif]]

Es sollten selbstverständlich möglichst genaue Widerstände verwendet
werden, also nicht unbedingt solche mit einer Toleranz von 10% oder mehr.
Weiterhin empfiehlt es sich, je nach Anwendung den Ausgangsstrom über einen
Operationsverstärker zu verstärken.

=== PWM (Pulsweitenmodulation) ===

Wir kommen nun zu einem Thema, welches in aller Munde ist, aber viele
Anwender verstehen nicht ganz, wie [[PWM]] eigentlich funktioniert.

Wie wir alle wissen, ist ein Mikrocontroller ein rein digitales Bauteil.
Definieren wir einen Pin als Ausgang, dann können wir diesen Ausgang entweder
auf HIGH setzen, worauf am Ausgang die Versorgungsspannung ''' Vcc''' anliegt, oder aber wir setzen den Ausgang auf LOW, wonach dann ''' 0V''' am Ausgang liegt. Was passiert aber nun, wenn wir periodisch mit einer festen Frequenz zwischen HIGH und LOW umschalten? - Richtig, wir erhalten eine Rechteckspannung, wie die folgende Abbildung zeigt:

[[Image:PWM Theorie 1.gif]]

Diese Rechteckspannung hat nun einen arithmetischen Mittelwert,
der je nach Pulsbreite kleiner oder größer ist.

[[Image:PWM Theorie 2.gif]]

Wenn wir nun diese pulsierende Ausgangsspannung noch über ein RC-Glied filtern/"glätten", dann haben wir schon eine entsprechende Gleichspannung erzeugt.

Mit den AVRs können wir direkt PWM-Signale erzeugen.
Dazu dient der 16-Bit Zähler, welcher im sogenannten PWM-Modus betrieben werden kann.

;Hinweis: In den folgenden Überlegungen wird als Controller der 90S2313 vorausgesetzt. Die Theorie ist bei anderen AVR-Controllern vergleichbar, die Pinbelegung allerdings nicht unbedingt, weshalb ein Blick ins entsprechende Datenblatt dringend angeraten wird.

Um den PWM-Modus zu aktivieren, müssen im Timer/Counter1 Control
Register A TCCR1A die Pulsweiten-Modulatorbits PWM10 bzw. PWM11 entsprechend nachfolgender Tabelle gesetzt werden:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! PWM11 || PWM10 || Bedeutung
|-
| 0 || 0 || PWM-Modus des Timers ist nicht aktiv
|-
| 0 || 1 || 8-Bit PWM
|-
| 1 || 0 || 9-Bit PWM
|-
| 1 || 1 || 10-Bit PWM
|}

Der Timer/Counter zählt nun permanent von 0 bis zur Obergrenze
und wieder zurück, er wird also als sogenannter Auf-/Ab Zähler betrieben.
Die Obergrenze hängt davon ab, ob wir mit 8, 9 oder 10-Bit PWM arbeiten wollen:

{| class="wikitable"
|-
! Auflösung || Obergrenze || Frequenz
|-
| align="center" | 8
| align="center" | 255
| fTC1 / 510
|-
| align="center" | 9
| align="center" | 511
| fTC1 / 1022
|-
| align="center" | 10
| align="center" | 1023
| fTC1 / 2046
|}

Zusätzlich muss mit den Bits '''COM1A1''' und '''COM1A0''' desselben
Registers die gewünschte Ausgabeart des Signals definiert werden:

{| class="wikitable"
|-
! COM1A1 || COM1A0 || Bedeutung
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| Keine Wirkung, Pin wird nicht geschaltet.
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| Keine Wirkung, Pin wird nicht geschaltet.
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| Nicht invertierende PWM. 
Der Ausgangspin wird gelöscht beim Hochzählen und gesetzt beim
Herunterzählen.
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| Invertierende PWM. 
Der Ausgangspin wird gelöscht beim Herunterzählen und gesetzt beim
Hochzählen.
|}

Der entsprechende Befehl, um beispielsweise den Timer/Counter als
nicht invertierenden 10-Bit PWM zu verwenden, heißt dann:

alte Schreibweise (PWMxx wird nicht mehr akzeptiert)
<c>
TCCR1A = (1<<PWM11)|(1<<PWM10)|(1<<COM1A1);
</c>
neue Schreibweise
<c>
TCCR1A = (1<<WGM11)|(1<<WGM10)|(1<<COM1A1);
</c>

Damit der Timer/Counter überhaupt läuft, müssen wir im Control
Register B '''TCCR1B''' noch den gewünschten Takt (Vorteiler) einstellen und
somit auch die Frequenz des '''PWM'''-Signals bestimmen.

{| class="wikitable"
|-
! CS12 || CS11 || CS10 || Bedeutung
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| Stop. Der Timer/Counter wird gestoppt.
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| CK
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| CK / 8
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| CK / 64
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| CK / 256
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| CK / 1024
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| Externer Pin 1, negative Flanke
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| Externer Pin 1, positive Flanke
|}

Also um einen Takt von CK / 1024 zu generieren, verwenden wir
folgenden Befehl:

<c>
TCCR1B = (1<<CS12) | (1<<CS10);
</c>

Jetzt muss nur noch der Vergleichswert festgelegt werden. Diesen
schreiben wir in das 16-Bit Timer/Counter Output Compare Register '''OCR1A'''.

<c>
OCR1A = xxx;
</c>

Die folgende Grafik soll den Zusammenhang zwischen dem Vergleichswert und dem generierten '''PWM'''-Signal aufzeigen.

[[Image:PWM Theorie 3.gif]]

[[Image:PWM Theorie 4.gif]]

Ach ja, fast hätte ich's vergessen. Das generierte '''PWM'''-Signal
wird am Output Compare Pin '''OC1''' des Timers ausgegeben und leider können wir
deshalb auch beim AT90S2313 nur ein einzelnes '''PWM'''-Signal mit dieser Methode generieren. Andere AVR-Typen verfügen über bis zu vier PWM-Ausgänge. Zu beachten ist außerdem, das wenn der OC Pin aktiviert ist, er nichtmehr wie üblich funktioniert und z. B. nicht einfach über PINx ausgelesen werden kann.

Ein Programm, welches an einem ATmega8 den Fast-PWM Modus verwendet, den Modus 14, könnte so aussehen
<C>
#include <avr/io.h>

int main()
{
// OC1A auf Ausgang
DDRB = (1 << PB1 ); //ATMega8
// DDRD = (1 << PD5 ); //ATMega16
//
// Timer 1 einstellen
//
// Modus 14:
// Fast PWM, Top von ICR1
//
// WGM13 WGM12 WGM11 WGM10
// 1 1 1 0
//
// Timer Vorteiler: 1
// CS12 CS11 CS10
// 0 0 1
//
// Steuerung des Ausgangsport: Set at BOTTOM, Clear at match
// COM1A1 COM1A0
// 1 0

TCCR1A = (1<<COM1A1) | (1<<WGM11);
TCCR1B = (1<<WGM13) | (1<<WGM12) | (1<<CS10);

// den Endwert (TOP) für den Zähler setzen
// der Zähler zählt bis zu diesem Wert

ICR1 = 0x6FFF;

// der Compare Wert
// Wenn der Zähler diesen Wert erreicht, wird mit
// obiger Konfiguration der OC1A Ausgang abgeschaltet
// Sobald der Zähler wieder bei 0 startet, wird der
// Ausgang wieder auf 1 gesetzt
//
// Durch Verändern dieses Wertes, werden die unterschiedlichen
// PWM Werte eingestellt.

OCR1A = 0x3FFF;

while (1) {}
}
</C>

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''PWM-Mode Tabelle aus dem Datenblatt des ATmega8515'''
|-
!Mode || WGM13 || WGM12 || WGM11 || WGM10 || Timer/Counter Mode of Operation
! TOP|| Update of OCR1x at || TOV1 Flag set on
|-
! 0
| 0
| 0
| 0
| 0
| Normal
| 0xFFFF
| Immediate
| MAX
|-
! 1
| 0
| 0
| 0
| 1
| PWM, Phase Correct, 8-Bit
| 0x00FF
| TOP
| BOTTOM
|-
! 2
| 0
| 0
| 1
| 0
| PWM, Phase Correct, 9-Bit
| 0x01FF
| TOP
| BOTTOM
|-
! 3
| 0
| 0
| 1
| 1
| PWM, Phase Correct, 10-Bit
| 0x03FF
| TOP
| BOTTOM
|-
! 4
| 0
| 1
| 0
| 0
| CTC
| OCR1A
| Immediate
| MAX
|-
! 5
| 0
| 1
| 0
| 1
| Fast PWM, 8-Bit
| 0x00FF
| BOTTOM
| TOP
|-
! 6
| 0
| 1
| 1
| 0
| Fast PWM, 9-Bit
| 0x01FF
| BOTTOM
| TOP
|-
! 7
| 0
| 1
| 1
| 1
| Fast PWM, 10-Bit
| 0x03FF
| BOTTOM
| TOP
|-
! 8
| 1
| 0
| 0
| 0
| PWM, Phase an Frequency Correct
| ICR1
| BOTTOM
| BOTTOM
|-
! 9
| 1
| 0
| 0
| 1
| PWM, Phase an Frequency Correct
| OCR1A
| BOTTOM
| BOTTOM
|-
! 10
| 1
| 0
| 1
| 0
| PWM, Phase Correct
| ICR1
| TOP
| BOTTOM
|-
! 11
| 1
| 0
| 1
| 1
| PWM, Phase an Frequency Correct
| OCR1A
| TOP
| BOTTOM
|-
! 12
| 1
| 1
| 0
| 0
| CTC
| ICR1
| Immediate
| MAX
|-
! 13
| 1
| 1
| 0
| 1
| Reserved
| -
| -
| -
|-
! 14
| 1
| 1
| 1
| 0
| Fast PWM
| ICR1
| BOTTOM
| TOP
|-
! 15
| 1
| 1
| 1
| 1
| Fast PWM
| OCR1A
| BOTTOM
| TOP
|}

Für Details der PWM-Möglichkeiten muss immer das jeweilge Datenblatt des Prozessors konsultiert werden, da sich die unterschiedlichen Prozessoren in ihren Möglichkeiten doch stark unterscheiden. Auch muss man aufpassen, welches zu setzende Bit in welchem Register ist. Auch hier kann es sein, dass gleichnamige Konfigurationsbits in unterschiedlichen Konfigurationsregistern (je nach konkretem Prozessortyp) sitzen.

= Warteschleifen (delay.h) =

Der Programmablauf kann verschiedene Arten von Wartefunktionen erfordern:

* Warten im Sinn von Zeitvertrödeln
* Warten auf einen bestimmten Zustand an den I/O-Pins
* Warten auf einen bestimmten Zeitpunkt (siehe Timer)
* Warten auf einen bestimmten Zählerstand (siehe Counter)

Der einfachste Fall, das Zeitvertrödeln, kann in vielen Fällen und mit großer Genauigkeit anhand der avr-libc Bibliotheksfunktionen _delay_ms() und _delay_us() erledigt werden. Die Bibliotheksfunktionen sind einfachen Zählschleifen (Warteschleifen) vorzuziehen, da leere Zählschleifen ohne besondere Vorkehrungen sonst bei eingeschalteter Optimierung vom avr-gcc-Compiler wegoptimiert werden. Weiterhin sind die Bibliotheksfunktionen bereits darauf vorbereitet, die in F_CPU definierte Taktfrequenz zu verwenden. Außerdem sind die Funktionen der Bibliothek wirklich getestet.

Einfach!? Schon, aber während gewartet wird, macht der µC nichts anderes mehr. Die Wartefunktion blockiert den Programmablauf. Möchte man einerseits warten, um z. B. eine LED blinken zu lassen und gleichzeitig andere Aktionen ausführen z. B. weitere LED bedienen, sollten die Timer/Counter des AVR verwendet werden.

Die Bibliotheksfunktionen funktionieren allerdings nur dann korrekt, wenn sie mit zur Übersetzungszeit (beim Compilieren) bekannten konstanten Werten aufgerufen werden. Der Quellcode muss mit eingeschalteter Optimierung übersetzt werden, sonst wird sehr viel Maschinencode erzeugt, und die Wartezeiten stimmen nicht mehr mit dem Parameter überein.

Abhängig von der Version der Bibliothek verhalten sich die Bibliotheksfunktionen etwas unterschiedlich.

== avr-libc Versionen kleiner 1.6 ==

Die Wartezeit der Funktion _delay_ms() ist auf 262,14ms/F_CPU (in MHz) begrenzt, d.h. bei 20 MHz kann man nur max. 13,1ms warten. Die Wartezeit der Funktion _delay_us() ist auf 768us/F_CPU (in MHz) begrenzt, d.h. bei 20 MHz kann man nur max. 38,4us warten. Längere Wartezeiten müssen dann über einen mehrfachen Aufruf in einer Schleife gelöst werden.

Beispiel: Blinken einer LED an PORTB Pin PB0 im ca. 1s Rhythmus
<c>
#include <avr/io.h>
#ifndef F_CPU
/* Definiere F_CPU, wenn F_CPU nicht bereits vorher definiert
(z. B. durch Übergabe als Parameter zum Compiler innerhalb
des Makefiles). Zusätzlich Ausgabe einer Warnung, die auf die
"nachträgliche" Definition hinweist */
#warning "F_CPU war noch nicht definiert, wird nun mit 3686400 definiert"
#define F_CPU 3686400UL /* Quarz mit 3.6864 Mhz */
#endif
#include <util/delay.h> /* in älteren avr-libc Versionen <avr/delay.h> */

/*
lange, variable Verzögerungszeit, Einheit in Millisekunden

Die maximale Zeit pro Funktionsaufruf ist begrenzt auf
262.14 ms / F_CPU in MHz (im Beispiel:
262.1 / 3.6864 = max. 71 ms)

Daher wird die kleine Warteschleife mehrfach aufgerufen,
um auf eine längere Wartezeit zu kommen. Die zusätzliche
Prüfung der Schleifenbedingung lässt die Wartezeit geringfügig
ungenau werden (macht hier vielleicht 2-3ms aus).
*/

void long_delay(uint16_t ms)
{
for(; ms>0; ms--) _delay_ms(1);
}

int main( void )
{
DDRB = ( 1 << PB0 ); // PB0 an PORTB als Ausgang setzen

while( 1 ) // Endlosschleife
{
PORTB ^= ( 1 << PB0 ); // Toggle PB0 z. B. angeschlossene LED
long_delay(1000); // Eine Sekunde warten...
}

return 0;
}
</c>

== avr-libc Versionen ab 1.6 ==

_delay_ms() kann mit einem Argument bis 6553,5 ms (= 6,5535 Sekunden) benutzt werden. Wird die früher gültige Grenze von 262,14 ms/F_CPU (in MHz) überschritten, so arbeitet _delay_ms() einfach etwas ungenauer und zählt nur noch mit einer Auflösung von 1/10 ms. Eine Verzögerung von 1000,10 ms ließe sich nicht mehr von einer von 1000,19 ms unterscheiden. Ein Verlust, der sich im Allgemeinen verschmerzen lässt. Dem Programmierer wird keine Rückmeldung gegeben, dass die Funktion ggf. gröber arbeitet, d.h. wenn es darauf ankommt, bitte den Parameter wie bisher geschickt wählen.

Die Funktion _delay_us() wurde ebenfalls erweitert. Wenn deren maximal als genau behandelbares Argument überschritten wird, benutzt diese intern _delay_ms(). Damit gelten in diesem Fall die _delay_ms() Einschränkungen.

Beispiel: Blinken einer LED an PORTB Pin PB0 im ca. 1s Rhythmus, avr-libc ab Version 1.6
<c>
#include <avr/io.h>
#ifndef F_CPU
/* Definiere F_CPU, wenn F_CPU nicht bereits vorher definiert
(z. B. durch Übergabe als Parameter zum Compiler innerhalb
des Makefiles). Zusätzlich Ausgabe einer Warnung, die auf die
"nachträgliche" Definition hinweist */
#warning "F_CPU war noch nicht definiert, wird nun mit 3686400 definiert"
#define F_CPU 3686400UL /* Quarz mit 3.6864 Mhz */
#endif
#include <util/delay.h>

int main( void )
{
DDRB = ( 1 << PB0 ); // PB0 an PORTB als Ausgang setzen

while( 1 ) { // Endlosschleife
PORTB ^= ( 1 << PB0 ); // Toggle PB0 z. B. angeschlossene LED
_delay_ms(1000); // Eine Sekunde +/-1/10000 Sekunde warten...
// funktioniert nicht mit Bibliotheken vor 1.6

}
return 0;
}
</c>

Die _delay_ms() und die _delay_us aus '''avr-libc 1.7.0''' sind fehlerhaft. _delay_ms () läuft 4x schneller als erwartet. Abhilfe ist eine korrigierte Includedatei: [http://www.mikrocontroller.net/topic/196738#1943039]

= Programmieren mit Interrupts =

<div style="float:right; margin:2em;">
[[Image:Interrupt Programme.gif]]
</div>
Nachdem wir nun alles Wissenswerte für die serielle Programmerstellung
gelernt haben nehmen wir jetzt ein völlig anderes Thema in Angriff, nämlich
die Programmierung unter Zuhilfenahme der Interrupts des AVR.

Als erstes wollen wir uns noch einmal den allgemeinen Programmablauf bei der
Interrupt-Programmierung zu Gemüte führen.

Man sieht, dass die Interruptroutine quasi parallel zum Hauptprogramm
abläuft. Da wir nur eine CPU haben ist es natürlich keine echte Parallelität,
sondern das Hauptprogramm wird beim Eintreffen eines Interrupts unterbrochen,
die Interruptroutine wird ausgeführt und danach erst wieder zum Hauptprogramm
zurückgekehrt.

Siehe auch

* [http://www.mikrocontroller.net/forum/read-1-235092.html#new Ausführlicher Thread im Forum]
* Artikel [[Interrupt]]
* Artikel [[Multitasking]]
{{Clear}}

== Anforderungen an Interrupt-Routinen ==

Um unliebsamen Überraschungen vorzubeugen, sollten einige Grundregeln bei der Implementierung der Interruptroutinen beachtet werden. Interruptroutinen sollten möglichst kurz und schnell abarbeitbar sein, daraus folgt:

* Keine umfangreichen Berechnungen innerhalb der Interruptroutine. (*)
* Keine langen Programmschleifen.
* Obwohl es möglich ist, während der Abarbeitung einer Interruptroutine andere oder sogar den gleichen Interrupt wieder zuzulassen, wird davon ohne genaue Kenntnis der internen Abläufe dringend abgeraten.

Interruptroutinen (ISRs) sollten also möglichst kurz sein und keine Schleifen mit vielen Durchläufen enthalten. Längere Operationen können meist in einen "Interrupt-Teil" in einer ISR und einen "Arbeitsteil" im Hauptprogramm aufgetrennt werden. Z.B. Speichern des Zustands aller Eingänge im EEPROM in bestimmten Zeitabständen: ISR-Teil: Zeitvergleich (Timer,RTC) mit Logzeit/-intervall. Bei Übereinstimmung ein globales Flag setzen (volatile bei Flag-Deklaration nicht vergessen, s.u.). Dann im Hauptprogramm prüfen, ob das Flag gesetzt ist. Wenn ja: die Daten im EEPROM ablegen und Flag löschen.

(*)
Hinweis:
Es gibt allerdings die seltene Situation, dass man gerade eingelesene
ADC-Werte sofort verarbeiten muss. Besonders dann, wenn man mehrere Werte sehr
schnell hintereinander bekommt. Dann bleibt einem nichts anderes übrig, als die
Werte noch in der ISR zu verarbeiten. Kommt aber sehr selten vor und sollte
durch geeignete Wahl des Systemtaktes bzw. Auswahl des Controllers vermieden werden!

== Interrupt-Quellen ==

Die folgenden Ereignisse können einen Interrupt auf einem AVR AT90S2313 auslösen, wobei die Reihenfolge der Auflistung auch die Priorität der Interrupts aufzeigt.

* Reset
* Externer Interrupt 0
* Externer Interrupt 1
* Timer/Counter 1 Capture Ereignis
* Timer/Counter 1 Compare Match
* Timer/Counter 1 Überlauf
* Timer/Counter 0 Überlauf
* UART Zeichen empfangen
* UART Datenregister leer
* UART Zeichen gesendet
* Analoger Komparator

Die Anzahl der möglichen Interruptquellen variiert zwischen den verschiedenen Microcontroller-Typen. Im Zweifel hilft ein Blick ins Datenblatt ("Interrupt Vectors").

== Register ==

Der AT90S2313 verfügt über 2 Register die mit den
Interrupts zusammen hängen.

{| class="wikitable"
|-
| '''GIMSK'''
| '''G'''eneral '''I'''nterrupt '''M'''ask '''R'''egister. 

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7 || 6|| 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| '''INT1''' || '''INT0''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-'''
|-
! R/W
| R/W || R/W || R || R || R || R || R || R
|-
! Initialwert
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0
|}

'''INT1''' (External '''Int'''errupt Request '''1''' Enable)
:Wenn dieses Bit gesetzt ist, wird ein Interrupt ausgelöst, wenn am '''INT1'''-Pin eine steigende oder fallende (je nach Konfiguration im '''MCUCR''') Flanke erkannt wird.
:Das Global Enable Interrupt Flag muss selbstverständlich auch gesetzt sein.
:Der Interrupt wird auch ausgelöst, wenn der Pin als Ausgang geschaltet ist. Auf diese Weise bietet sich die Möglichkeit, Software-Interrupts zu realisieren.

'''INT0''' (External '''Int'''errupt Request '''0''' Enable)
:Wenn dieses Bit gesetzt ist, wird ein Interrupt ausgelöst, wenn am '''INT0'''-Pin eine steigende oder fallende (je nach Konfiguration im '''MCUCR''') Flanke erkannt wird.
:Das Global Enable Interrupt Flag muss selbstverständlich auch gesetzt sein.
:Der Interrupt wird auch ausgelöst, wenn der Pin als Ausgang geschaltet ist. Auf diese Weise bietet sich die Möglichkeit, Software-Interrupts zu realisieren.

|-
| '''GIFR'''
| '''G'''eneral '''I'''nterrupt '''F'''lag '''R'''egister.

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7 || 6 || 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| '''INTF1''' || '''INTF0''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-'''
|-
! R/W
| R/W || R/W || R || R || R || R || R || R
|-
! Initialwert
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0
|}

'''INTF1''' (External '''Int'''errupt Flag '''1''')
:Dieses Bit wird gesetzt, wenn am '''INT1'''-Pin eine Interrupt-Kondition, entsprechend der Konfiguration, erkannt wird. Wenn das Global Enable Interrupt Flag gesetzt ist, wird die Interruptroutine angesprungen.
:Das Flag wird automatisch gelöscht, wenn die Interruptroutine beendet ist. Alternativ kann das Flag gelöscht werden, indem der Wert '''1(!)''' eingeschrieben wird.

'''INTF0''' (External '''Int'''errupt Flag '''0''')
:Dieses Bit wird gesetzt, wenn am '''INT0'''-Pin eine Interrupt-Kondition, entsprechend der Konfiguration, erkannt wird. Wenn das Global Enable Interrupt Flag gesetzt ist, wird die Interruptroutine angesprungen.
:Das Flag wird automatisch gelöscht, wenn die Interruptroutine beendet ist. Alternativ kann das Flag gelöscht werden, indem der Wert '''1(!)''' eingeschrieben wird.
|-
| '''MCUCR'''
| '''MCU''' '''C'''ontrol '''R'''egister.

Das MCU Control Register enthält Kontrollbits für allgemeine
MCU-Funktionen.

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7 || 6 || 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| '''-'''|| '''-'''|| '''SE'''|| '''SM'''|| '''ISC11'''|| '''ISC10'''|| '''ISC01'''|| '''ISC00'''
|-
! R/W
| R || R || R/W || R/W || R/W || R/W || R/W || R/W
|-
! Initialwert
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0

|}

'''SE''' ('''S'''leep '''E'''nable)
:Dieses Bit muss gesetzt sein, um den Controller mit dem '''SLEEP'''-Befehl in den Schlafzustand versetzen zu können.
:Um den Schlafmodus nicht irrtümlich einzuschalten, wird empfohlen, das Bit erst unmittelbar vor Ausführung des '''SLEEP'''-Befehls zu setzen.

'''SM''' ('''S'''leep '''M'''ode)
:Dieses Bit bestimmt der Schlafmodus.
:Ist das Bit gelöscht, so wird der '''Idle'''-Modus ausgeführt. Ist das Bit gesetzt, so wird der '''Power-Down'''-Modus ausgeführt. (für andere AVR Controller siehe Abschnitt "Sleep-Mode")

'''ISC11''', '''ISC10''' ('''I'''nterrupt '''S'''ense '''C'''ontrol '''1''' Bits)
:Diese beiden Bits bestimmen, ob die steigende oder die fallende Flanke für die Interrupterkennung am '''INT1'''-Pin ausgewertet wird.

:{| class="wikitable"
|-
! ISC11 || ISC10 || Bedeutung
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| Low Level an '''INT1''' erzeugt einen Interrupt.

Der Interrupt wird getriggert, solange der Pin auf 0 bleibt.
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| Reserviert
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| Die fallende Flanke an '''INT1''' erzeugt einen Interrupt.
|-
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| Die steigende Flanke an '''INT1''' erzeugt einen Interrupt.
|}

'''ISC01''', '''ISC00''' ('''I'''nterrupt '''S'''ense '''C'''ontrol '''0''' Bits)
:Diese beiden Bits bestimmen, ob die steigende oder die fallende Flanke für die Interrupterkennung am '''INT0'''-Pin ausgewertet wird.

:{| class="wikitable"
|-
! ISC01 || ISC00 || Bedeutung
|-
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| align="center" | 0
| Low Level an '''INT0''' erzeugt einen Interrupt.

Der Interrupt wird getriggert, solange der Pin auf 0 bleibt.
|-
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| Reserviert
|-
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| Die fallende Flanke an '''INT0''' erzeugt einen Interrupt.
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| Die steigende Flanke an '''INT0''' erzeugt einen Interrupt.
|}

|}

== Allgemeines über die Interrupt-Abarbeitung ==

Wenn ein Interrupt eintrifft, wird automatisch das '''Global Interrupt Enable''' Bit im Status Register '''SREG''' gelöscht und alle weiteren Interrupts unterbunden. Obwohl es möglich ist, zu diesem Zeitpunkt bereits wieder das GIE-bit zu setzen, wird dringend davon abgeraten. Dieses wird nämlich automatisch gesetzt, wenn die Interruptroutine beendet wird. Wenn in der Zwischenzeit weitere Interrupts eintreffen, werden die zugehörigen Interrupt-Bits gesetzt und die Interrupts bei Beendigung der laufenden Interrupt-Routine in der Reihenfolge ihrer Priorität ausgeführt. Dies kann
eigentlich nur dann zu Problemen führen, wenn ein hoch priorisierter Interrupt ständig und in kurzer Folge auftritt. Dieser sperrt dann möglicherweise alle anderen Interrupts mit niedrigerer Priorität. Dies ist einer der Gründe, weshalb die Interrupt-Routinen sehr kurz gehalten werden sollen.



== Interrupts mit dem AVR GCC Compiler (WinAVR) ==


Funktionen zur Interrupt-Verarbeitung werden in den Includedateien ''interrupt.h'' der avr-libc zur Verfügung gestellt (bei älterem Quellcode zusätzlich ''signal.h'').

<c>
// fuer sei(), cli() und ISR():
#include <avr/interrupt.h>
</c>

Das Makro '''sei()''' schaltet die Interrupts ein. Eigentlich wird nichts anderes gemacht, als das '''Global Interrupt Enable''' Bit im Status Register gesetzt.

<c>
sei();
</c>

Das Makro '''cli()''' schaltet die Interrupts aus, oder anders gesagt, das '''Global Interrupt Enable''' Bit im Status Register wird gelöscht.

<c>
cli();
</c>

Oft steht man vor der Aufgabe, dass eine Codesequenz nicht unterbrochen werden darf. Es liegt dann nahe, zu Beginn dieser Sequenz ein cli() und am Ende ein sei() einzufügen. Dies ist jedoch ungünstig, wenn die Interrupts vor Aufruf der Sequenz deaktiviert waren und danach auch weiterhin deaktiviert bleiben sollen. Ein sei() würde ungeachtet des vorherigen Zustands die Interrupts aktivieren, was zu unerwünschten Seiteneffekten führen kann. Die aus dem folgenden Beispiel ersichtliche Vorgehensweise ist in solchen Fällen vorzuziehen:

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <inttypes.h>

//...

void NichtUnterbrechenBitte(void)
{
uint8_t tmp_sreg; // temporaerer Speicher fuer das Statusregister

tmp_sreg = SREG; // Statusregister (also auch das I-Flag darin) sichern
cli(); // Interrupts global deaktivieren

/* hier "unterbrechnungsfreier" Code */

/* Beispiel Anfang
JTAG-Interface eines ATmega16 per Software deaktivieren
und damit die JTAG-Pins an PORTC für "general I/O" nutzbar machen
ohne die JTAG-Fuse-Bit zu aendern. Dazu ist eine "timed sequence"
einzuhalten (vgl Datenblatt ATmega16, Stand 10/04, S. 229):
Das JTD-Bit muss zweimal innerhalb von 4 Taktzyklen geschrieben
werden. Ein Interrupt zwischen den beiden Schreibzugriffen wuerde
die erforderliche Sequenz "brechen", das JTAG-Interface bliebe
weiterhin aktiv und die IO-Pins weiterhin für JTAG reserviert. */

MCUCSR |= (1<<JTD);
MCUCSR |= (1<<JTD); // 2 mal in Folge ,vgl. Datenblatt fuer mehr Information

/* Beispiel Ende */

SREG = tmp_sreg; // Status-Register wieder herstellen
// somit auch das I-Flag auf gesicherten Zustand setzen
}

void NichtSoGut(void)
{
cli();

/* hier "unterbrechnungsfreier" Code */

sei();
}

int main(void)
{
//...

cli();
// Interrupts global deaktiviert

NichtUnterbrechenBitte();
// auch nach Aufruf der Funktion deaktiviert

sei();
// Interrupts global aktiviert

NichtUnterbrechenBitte();
// weiterhin aktiviert
//...

/* Verdeutlichung der unguenstigen Vorgehensweise mit cli/sei: */
cli();
// Interrupts jetzt global deaktiviert

NichtSoGut();
// nach Aufruf der Funktion sind Interrupts global aktiviert
// dies ist mglw. ungewollt!
//...

}
</c>


Zu den aktivierten Interrupts ist eine Funktion zu programmieren, deren Code aufgerufen wird, wenn der betreffende Interrupt auftritt (Interrupt-Handler, Interrupt-Service-Routine). Dazu existiert die Definition (ein Makro) '''ISR'''.

=== ISR ===

(''ISR()'' ersetzt bei neueren Versionen der avr-libc ''SIGNAL()''. SIGNAL sollte nicht mehr genutzt werden, zur Portierung von SIGNAL nach ISR siehe den [[AVR-GCC-Tutorial#Anhang|Anhang]].)

<c>
#include <avr/interrupt.h>
//...
ISR(Vectorname) /* vormals: SIGNAL(siglabel) dabei Vectorname != siglabel ! */
{
/* Interrupt Code */
}
</c>

Mit ''ISR'' wird eine Funktion für die Bearbeitung eines Interrupts eingeleitet. Als Argument muss dabei die Benennung des entsprechenden Interruptvektors angegeben werden. Diese sind in den jeweiligen Includedateien IOxxxx.h zu finden. Die Bezeichnung entspricht dem Namen aus dem Datenblatt, bei dem die Leerzeichen durch Unterstriche ersetzt sind und ein ''_vect'' angehängt ist.

Als Beispiel ein Ausschnitt aus der Datei für den ATmega8 (bei WinAVR Standardinstallation in C:\WinAVR\avr\include\avr\iom8.h) in der neben den aktuellen Namen für ''ISR'' (*_vect) noch die Bezeichnungen für das inzwischen nicht mehr aktuelle ''SIGNAL'' (SIG_*) enthalten sind.

<c>
//...
/* $Id: iom8.h,v 1.13 2005/10/30 22:11:23 joerg_wunsch Exp $ */

/* avr/iom8.h - definitions for ATmega8 */
//...

/* Interrupt vectors */

/* External Interrupt Request 0 */
#define INT0_vect _VECTOR(1)
#define SIG_INTERRUPT0 _VECTOR(1)

/* External Interrupt Request 1 */
#define INT1_vect _VECTOR(2)
#define SIG_INTERRUPT1 _VECTOR(2)

/* Timer/Counter2 Compare Match */
#define TIMER2_COMP_vect _VECTOR(3)
#define SIG_OUTPUT_COMPARE2 _VECTOR(3)

/* Timer/Counter2 Overflow */
#define TIMER2_OVF_vect _VECTOR(4)
#define SIG_OVERFLOW2 _VECTOR(4)

/* Timer/Counter1 Capture Event */
#define TIMER1_CAPT_vect _VECTOR(5)
#define SIG_INPUT_CAPTURE1 _VECTOR(5)

/* Timer/Counter1 Compare Match A */
#define TIMER1_COMPA_vect _VECTOR(6)
#define SIG_OUTPUT_COMPARE1A _VECTOR(6)

/* Timer/Counter1 Compare Match B */
#define TIMER1_COMPB_vect _VECTOR(7)
#define SIG_OUTPUT_COMPARE1B _VECTOR(7)

//...
</c>


Mögliche Funktionsrümpfe für Interruptfunktionen sind zum Beispiel:

<c>
#include <avr/interrupt.h>
/* veraltet: #include <avr/signal.h> */

ISR(INT0_vect) /* veraltet: SIGNAL(SIG_INTERRUPT0) */
{
/* Interrupt Code */
}

ISR(TIMER0_OVF_vect) /* veraltet: SIGNAL(SIG_OVERFLOW0) */
{
/* Interrupt Code */
}

ISR(USART_RXC_vect) /* veraltet: SIGNAL(SIG_UART_RECV) */
{
/* Interrupt Code */
}

// und so weiter und so fort...
</c>

Auf die korrekte Schreibweise der Vektorbezeichnung ist zu achten. Der gcc-Compiler prüft erst ab Version 4.x, ob ein Signal/Interrupt der angegebenen Bezeichnung tatsächlich in der Includedatei definiert ist und gibt andernfalls eine Warnung aus. Bei WinAVR (ab 2/2005) wurde die Überprüfung auch in den mitgelieferten Compiler der Version 3.x integriert. Aus dem gcc-Quellcode Version 3.x selbst erstellte Compiler enthalten die Prüfung nicht (vgl. [[AVR-GCC]]).

Während der Ausführung der Funktion sind alle weiteren Interrupts automatisch gesperrt. Beim Verlassen der Funktion werden die Interrupts wieder zugelassen.

Sollte während der Abarbeitung der Interruptroutine ein weiterer Interrupt (gleiche oder andere Interruptquelle) auftreten, so wird das entsprechende Bit im zugeordneten Interrupt Flag Register gesetzt und die entsprechende Interruptroutine automatisch nach dem Beenden der aktuellen Funktion aufgerufen.

Ein Problem ergibt sich eigentlich nur dann, wenn während der Abarbeitung der aktuellen Interruptroutine mehrere gleichartige Interrupts auftreten. Die entsprechende Interruptroutine wird im Nachhinein zwar aufgerufen jedoch wissen wir nicht, ob nun der entsprechende Interrupt einmal, zweimal oder gar noch öfter aufgetreten ist. Deshalb soll hier noch einmal betont werden, dass Interruptroutinen so schnell wie nur irgend möglich wieder verlassen werden sollten.

=== Unterbrechbare Interruptroutinen ===

"Faustregel": im Zweifel '''ISR'''. Die nachfolgend beschriebene Methode nur dann verwenden, wenn man sich über die unterschiedliche Funktionsweise im Klaren ist.

<c>
#include <avr/interrupt.h>

ISR(XXX,ISR_NOBLOCK) /* veraltet: INTERRUPT(SIG_OVERFLOW0) */
{
/* Interrupt-Code */
}
</c>

Hierbei steht XXX für den oben beschriebenen Namen des Vektors (also z. B. ''TIMER0_OVF_vect''). Der Unterschied im Vergleich zu einer herkömmlichen ISR ist, dass hier beim Aufrufen der Funktion das '''Global Enable Interrupt''' Bit durch Einfügen einer SEI-Anweisung direkt wieder gesetzt und somit alle Interrupts zugelassen werden – auch XXX-Interrupts.

Bei unsachgemässer Handhabung kann dies zu erheblichen Problemen wie einem Stack-Overflow oder anderen unerwarteten Effekten führen und sollte wirklich nur dann eingesetzt werden, wenn man sich sicher ist, das Ganze auch im Griff zu haben.

Insbesondere sollte möglichst am ISR-Anfang die auslösende IRQ-Quelle deaktiviert und erst am Ende der ISR wieder aktiviert werden. Robuster als die Verwendung einer NOBLOCK-ISR ist daher folgender ISR-Aufbau:

<c>
#include <avr/interrupt.h>

ISR (XXX)
{
// Implementiere die ISR ohne zunaechst weitere IRQs zuzulassen

<<Dektiviere die XXX-IRQ>>

// Erlaube alle Interrupts (ausser XXX)
sei();

//... Code ...

// IRQs global deaktivieren um die XXX-IRQ wieder gefahrlos
// aktivieren zu koennen
cli();

<<Aktiviere die XXX-IRQ>>
}
</c>
Auf diese Weise kann sich die XXX-IRQ nicht selbst unterbrechen, was zu einer Art Endlosschleife führen würde.

Siehe auch: Hinweise in [[AVR-GCC]]

siehe dazu: http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__avr__interrupts.html

== Datenaustausch mit Interrupt-Routinen ==

Variablen, die sowohl in Interrupt-Routinen (ISR = Interrupt Service Routine(s)) als auch vom übrigen Programmcode geschrieben oder gelesen werden, müssen mit einem '''volatile''' deklariert werden. Damit wird dem Compiler mitgeteilt, dass der Inhalt der Variablen vor jedem Lesezugriff aus dem Speicher gelesen und nach jedem Schreibzugriff in den Speicher geschrieben wird. Ansonsten könnte der Compiler den Code so optimieren, dass der Wert der Variablen nur in Prozessorregistern zwischengespeichert wird, die nichts von der Änderung woanders mitbekommen.

Zur Veranschaulichung ein Codefragment für eine Tastenentprellung mit Erkennung einer "lange gedrückten" Taste.

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <stdint.h>
//...

// Schwellwerte
// Entprellung:
#define CNTDEBOUNCE 10
// "lange gedrueckt:"
#define CNTREPEAT 200

// hier z. B. Taste an Pin2 PortA "active low" = 0 wenn gedrueckt
#define KEY_PIN PINA
#define KEY_PINNO PA2

// beachte: volatile!
volatile uint8_t gKeyCounter;

// Timer-Compare Interrupt ISR, wird z.B. alle 10ms ausgefuehrt
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
// hier wird gKeyCounter veraendert. Die übrigen
// Programmteile müssen diese Aenderung "sehen":
// volatile -> aktuellen Wert immer in den Speicher schreiben
if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
if (gKeyCounter < CNTREPEAT) gKeyCounter++;
}
else {
gKeyCounter = 0;
}
}

//...

int main(void)
{
//...
/* hier: Initialisierung der Ports und des Timer-Interrupts */
//...
// hier wird auf gKeyCounter zugegriffen. Dazu muss der in der
// ISR geschriebene Wert bekannt sein:
// volatile -> aktuellen Wert immer aus dem Speicher lesen
if ( gKeyCounter > CNTDEBOUNCE ) { // Taste mind. 10*10 ms "prellfrei"
if (gKeyCounter == CNTREPEAT) {
/* hier: Code fuer "Taste lange gedrueckt" */
}
else {
/* hier: Code fuer "Taste kurz gedrueckt" */
}
}
//...
}
</c>

Wird innerhalb einer ISR mehrfach auf eine mit volatile deklarierte Variable zugegriffen, wirkt sich dies ungünstig auf die Verarbeitungsgeschwindigkeit aus, da bei jedem Zugriff mit dem Speicherinhalt abgeglichen wird. Da bei AVR-Controllern ''innerhalb'' einer ISR keine Unterbrechungen zu erwarten sind, bietet es sich an, einen Zwischenspeicher in Form einer lokalen Variable zu verwenden, deren Inhalt zu Beginn und am Ende mit dem der volatile Variable synchronisiert wird. Lokale Variable werden bei eingeschalteter Optimierung mit hoher Wahrscheinlichkeit in Prozessorregistern verwaltet und der Zugriff darauf ist daher nur mit wenigen internen Operationen verbunden. Die ISR aus dem vorherigen Beispiel lässt sich so optimieren:

<c>
//...
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
uint8_t tmp_kc;

tmp_kc = gKeyCounter; // Uebernahme in lokale Arbeitsvariable

if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
if (tmp_kc < CNTREPEAT) {
tmp_kc++;
}
}
else {
tmp_kc = 0;
}

gKeyCounter = tmp_kc; // Zurueckschreiben
}
//...
</c>

Zum Vergleich die Disassemblies (Ausschnitte der "lss-Dateien", compiliert für ATmega162) im Anschluss. Man erkennt den viermaligen Zugriff auf die Speicheraddresse von ''gKeyCounter'' (hier 0x032A) in der ISR ohne "Cache"-Variable und den zweimaligen Zugriff in der Variante mit Zwischenspeicher. Im Beispiel ist der Vorteil gering, bei komplexeren Routinen kann die Zwischenspeicherung in lokalen Variablen jedoch zu deutlicheren Verbesserungen führen.

<pre>
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
86a: 1f 92 push r1
86c: 0f 92 push r0
86e: 0f b6 in r0, 0x3f ; 63
870: 0f 92 push r0
872: 11 24 eor r1, r1
874: 8f 93 push r24
if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
876: ca 99 sbic 0x19, 2 ; 25
878: 0a c0 rjmp .+20 ; 0x88e <__vector_13+0x24>
if (gKeyCounter < CNTREPEAT) gKeyCounter++;
87a: 80 91 2a 03 lds r24, 0x032A
87e: 88 3c cpi r24, 0xC8 ; 200
880: 40 f4 brcc .+16 ; 0x892 <__vector_13+0x28>
882: 80 91 2a 03 lds r24, 0x032A
886: 8f 5f subi r24, 0xFF ; 255
888: 80 93 2a 03 sts 0x032A, r24
88c: 02 c0 rjmp .+4 ; 0x892 <__vector_13+0x28>
}
else {
gKeyCounter = 0;
88e: 10 92 2a 03 sts 0x032A, r1
892: 8f 91 pop r24
894: 0f 90 pop r0
896: 0f be out 0x3f, r0 ; 63
898: 0f 90 pop r0
89a: 1f 90 pop r1
89c: 18 95 reti
</pre>

<pre>
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
86a: 1f 92 push r1
86c: 0f 92 push r0
86e: 0f b6 in r0, 0x3f ; 63
870: 0f 92 push r0
872: 11 24 eor r1, r1
874: 8f 93 push r24
uint8_t tmp_kc;

tmp_kc = gKeyCounter;
876: 80 91 2a 03 lds r24, 0x032A

if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
87a: ca 9b sbis 0x19, 2 ; 25
87c: 02 c0 rjmp .+4 ; 0x882 <__vector_13+0x18>
87e: 80 e0 ldi r24, 0x00 ; 0
880: 03 c0 rjmp .+6 ; 0x888 <__vector_13+0x1e>
if (tmp_kc < CNTREPEAT) {
882: 88 3c cpi r24, 0xC8 ; 200
884: 08 f4 brcc .+2 ; 0x888 <__vector_13+0x1e>
tmp_kc++;
886: 8f 5f subi r24, 0xFF ; 255
}
}
else {
tmp_kc = 0;
}

gKeyCounter = tmp_kc;
888: 80 93 2a 03 sts 0x032A, r24
88c: 8f 91 pop r24
88e: 0f 90 pop r0
890: 0f be out 0x3f, r0 ; 63
892: 0f 90 pop r0
894: 1f 90 pop r1
896: 18 95 reti
</pre>

=== volatile und Pointer ===

Bei '''volatile''' in Verbindung mit Pointern ist zu beachten, ob der Pointer selbst oder die Variable, auf die der Pointer zeigt, '''volatile''' ist.

<c>
volatile uint8_t *a; // das Ziel von a ist volatile

uint8_t *volatile a; // a selbst ist volatile
</c>

Falls der Pointer volatile ist (zweiter Fall im Beispiel), ist zu beachten, dass der Wert des Pointers, also eine Speicheradresse, intern in mehr als einem Byte verwaltet wird. Lese- und Schreibzugriffe im Hauptprogramm (außerhalb von Interrupt-Routinen) sind daher so zu implementieren, dass alle Teilbytes der Adresse konsistent bleiben, vgl. dazu den folgenden Abschnitt.

=== Variablen größer 1 Byte ===

Bei Variablen größer ein Byte, auf die in Interrupt-Routinen und im Hauptprogramm zugegriffen wird, muss darauf geachtet werden, dass die Zugriffe auf die einzelnen Bytes außerhalb der ISR nicht durch einen Interrupt unterbrochen werden. (Allgemeinplatz: AVRs sind 8-bit Controller). Zur Veranschaulichung ein Codefragment:

<c>
//...
volatile uint16_t gMyCounter16bit;
//...
ISR(...)
{
//...
gMyCounter16Bit++;
//...
}

int main(void)
{
uint16_t tmpCnt;
//...
// nicht gut: Mglw. hier ein Fehler, wenn ein Byte von MyCounter
// schon in tmpCnt kopiert ist aber vor dem Kopieren des zweiten Bytes
// ein Interrupt auftritt, der den Inhalt von MyCounter verändert.
tmpCnt = gMyCounter16bit;

// besser: Änderungen "außerhalb" verhindern -> alle "Teilbytes"
// bleiben konsistent
cli(); // Interrupts deaktivieren
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
sei(); // wieder aktivieren

// oder: vorheriger Status des globalen Interrupt-Flags bleibt erhalten
uint8_t sreg_tmp;
sreg_tmp = SREG; /* Sichern */
cli()
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
SREG = sreg_tmp; /* Wiederherstellen */

// oder: mehrfach lesen, bis man konsistente Daten hat
uint16_t count1 = gMyCounter16Bit;
uint16_t count2 = gMyCounter16Bit;
while (count1 != count2) {
count1 = count2;
count2 = gMyCounter16Bit;
}
tmpCnt = count1;
//...
}
</c>

Die avr-libc bietet ab Version 1.6.0(?) einige Hilfsfunktionen/Makros, mit der im Beispiel oben gezeigten Funktionalität, die zusätzlich auch sogenannte [http://en.wikipedia.org/wiki/Memory_barrier memory barriers] beinhalten. Diese stehen nach #include <util/atomic.h> zur Verfügung.
<c>
//...
#include <util/atomic.h>
//...

// analog zu cli, Zugriff, sei:
ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_FORCEON) {
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
}

// oder:

// analog zu Sicherung des SREG, cli, Zugriff und Zurückschreiben des SREG:
ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_RESTORESTATE) {
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
}

//...
</c>

* siehe auch [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__util__atomic.html Dokumentation der avr-libc zu atomic.h]

== Interrupt-Routinen und Registerzugriffe ==

Falls Register sowohl im Hauptprogramm als auch in Interrupt-Routinen verändert werden, ist darauf zu achten, dass diese Zugriffe sich nicht überlappen. Nur wenige Anweisungen lassen sich in sogenannte "atomare" Zugriffe übersetzen, die nicht von Interrupt-Routinen unterbrochen werden können.

Zur Veranschaulichung eine Anweisung, bei der ein Bit und im Anschluss drei Bits in einem Register gesetzt werden:

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

int main(void)
{
//...
PORTA |= (1<<PA0);

PORTA |= (1<<PA2)|(1<<PA3)|(1<<PA4);
//...
}
</c>

Der Compiler übersetzt diese Anweisungen für einen ATmega128 bei Optimierungsstufe "S" nach:

<div class="code"><pre>
...
PORTA |= (1<<PA0);
d2: d8 9a sbi 0x1b, 0 ; 27 (a)

PORTA |= (1<<PA2)|(1<<PA3)|(1<<PA4);
d4: 8b b3 in r24, 0x1b ; 27 (b)
d6: 8c 61 ori r24, 0x1C ; 28 (c)
d8: 8b bb out 0x1b, r24 ; 27 (d)
...
</pre></div>

Das Setzen des einzelnen Bits wird bei eingeschalteter Optimierung für Register im unteren Speicherbereich in eine einzige Assembler-Anweisung (sbi) übersetzt und ist nicht anfällig für Unterbrechungen durch Interrupts. Die Anweisung zum Setzen von drei Bits wird jedoch in drei abhängige Assembler-Anweisungen übersetzt und bietet damit zwei "Angriffspunkte" für Unterbrechungen. Eine Interrupt-Routine könnte nach dem Laden des Ausgangszustands in den Zwischenspeicher (hier Register 24) den Wert des Registers ändern, z. B. ein Bit löschen. Damit würde der Zwischenspeicher nicht mehr mit dem tatsächlichen Zustand übereinstimmen aber dennoch nach der Bitoperation (hier ori) in das Register zurückgeschrieben.

Beispiel: PORTA sei anfangs 0b00000000. Die erste Anweisung (a) setzt Bit 0, PORTA ist danach 0b00000001. Nun wird im ersten Teil der zweiten Anweisung der Portzustand in ein Register eingelesen (b). Unmittelbar darauf (vor (c)) "feuert" ein Interrupt, in dessen Interrupt-Routine Bit 0 von PORTA gelöscht wird. Nach Verlassen der Interrupt-Routine hat PORTA den Wert 0b00000000. In den beiden noch folgenden Anweisungen des Hauptprogramms wird nun der zwischengespeicherte "alte" Zustand 0b00000001 mit 0b00011100 logisch-oder-verknüft (c) und das Ergebnis 0b00011101 in PortA geschrieben (d). Obwohl zwischenzeitlich Bit 0 gelöscht wurde, ist es nach (d) wieder gesetzt.

Lösungsmöglichkeiten:
* Register ohne besondere Vorkehrungen nicht in Interruptroutinen ''und'' im Hauptprogramm verändern.
* Interrupts vor Veränderungen in Registern, die auch in ISRs verändert werden, deaktivieren ("cli").
* Bits einzeln löschen oder setzen. sbi und cbi können nicht unterbrochen werden. Vorsicht: nur Register im unteren Speicherbereich sind mittels sbi/cbi ansprechbar. Der Compiler kann nur für diese sbi/cbi-Anweisungen generieren. Für Register außerhalb dieses Adressbereichs ("Memory-Mapped"-Register) werden auch zur Manipulation einzelner Bits abhängige Anweisungen erzeugt (lds,...,sts).

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Frequently asked Questions/Fragen Nr. 1 und 8. (Stand: avr-libc Vers. 1.0.4)

== Interruptflags löschen ==

Beim Löschen von Interruptflags haben AVRs eine Besonderheit, die auch im Datenblatt beschrieben ist: Es wird zum Löschen eine 1 in das betreffende Bit geschrieben.

Hinweis: Dazu '''nicht''' übliche bitweise VerODERung nehmen, sondern eine direkte Zuweisung machen ([http://www.mikrocontroller.net/topic/171148#1640133 Erklärung]).

== Was macht das Hauptprogramm? ==

Im einfachsten (Ausnahme-)Fall gar nichts mehr. Es ist also durchaus denkbar, ein Programm zu schreiben, welches in der main-Funktion lediglich noch die Interrupts aktiviert und dann in einer Endlosschleife verharrt. Sämtliche Funktionen werden dann in den ISRs abgearbeitet. Diese Vorgehensweise ist jedoch bei den meisten Anwendungen schlecht: man verschenkt eine Verarbeitungsebene und hat außerdem möglicherweise Probleme durch Interruptroutinen, die zu viel Verarbeitungszeit benötigen.

Normalerweise wird man in den Interruptroutinen nur die bei Auftreten des jeweiligen Interruptereignisses unbedingt notwendigen Operationen ausführen lassen. Alle weniger kritischen Aufgaben werden dann im Hauptprogramm abgearbeitet.

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Interrupts and Signals

= Sleep-Modes =

AVR Controller verfügen über eine Reihe von sogenannten [[Sleep Mode |''Sleep-Modes'']] ("Schlaf-Modi"). Diese ermöglichen es, Teile des Controllers abzuschalten. Zum Einen kann damit besonders bei Batteriebetrieb Strom gespart werden, zum Anderen können Komponenten des Controllers deaktiviert werden, die die Genauigkeit des Analog-Digital-Wandlers bzw. des Analog-Comparators negativ beeinflussen. Der Controller wird durch Interrupts aus dem Schlaf geweckt. Welche Interrupts den jeweiligen Schlafmodus beenden, ist einer Tabelle im Datenblatt des jeweiligen Controllers zu entnehmen.
Die Funktionen (eigentlich Makros) der avr-libc stehen nach Einbinden der header-Datei ''sleep.h'' zur Verfügung.

;set_sleep_mode (uint8_t mode): Setzt den Schlafmodus, der bei Aufruf von sleep() aktiviert wird. In sleep.h sind einige Konstanten definiert (z. B. SLEEP_MODE_PWR_DOWN). Die definierten Modi werden jedoch nicht alle von sämtlichten AVR-Controllern unterstützt.
;sleep_enable(): Aktiviert den gesetzten Schlafmodus, versetzt den Controller aber noch nicht in den Schlafmodus
;sleep_cpu(): Versetzt den Controller in den Schlafmodus .sleep_cpu wird im Prinzip durch die Assembler-Anweisung ''sleep'' ersetzt.
;sleep_disable(): Deaktiviert den gesetzten Schlafmodus
;sleep_mode(): Versetzt den Controller in den mit set_sleep_mode gewählten Schlafmodus. Das Makro entspricht sleep_enable()+sleep_cpu()+sleep_disable(), beinhaltet also nicht die Aktivierung von Interrupts (besser nicht benutzen).

Bei Anwendung von sleep_cpu() müssen Interrupts also bereits freigeben sein (sei()), da der Controller sonst nicht mehr "aufwachen" kann. sleep_mode() ist nicht geeignet für die Verwendung in ISR Interrupt-Service-Routinen, da bei deren Abarbeitung Interrupts global deaktiviert sind und somit auch die möglichen "Aufwachinterrupts". Abhilfe: stattdessen sleep_enable(), sei(), sleep_cpu(), sleep_disable() und evtl. cli() verwenden (vgl. Dokumentation der avr-libc).

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/sleep.h>

int main(void)
{
...

while (1) {
...
set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);
sleep_mode();

// Code hier wird erst nach Auftreten eines entsprechenden
// "Aufwach-Interrupts" verarbeitet
...
}
}
</c>

In älteren Versionenen der avr-libc wurden nicht alle AVR-Controller durch die sleep-Funktionen richtig angesteuert. Mit avr-libc 1.2.0 wurde die Anzahl der unterstützten Typen jedoch deutlich erweitert. Bei nicht-unterstützten Typen erreicht man die gewünschte Funktionalität durch direkte "[[Bitmanipulation]]" der entsprechenden Register (vgl. Datenblatt) und Aufruf des Sleep-Befehls via Inline-Assembler oder sleep_cpu():

<c>
#include <avr/io.h>
...
// Sleep-Mode "Power-Save" beim ATmega169 "manuell" aktivieren
SMCR = (3<<SM0) | (1<<SE);
asm volatile ("sleep"::); // alternativ sleep_cpu() aus sleep.h
...
</c>

== Sleep Modi ==
Zu beachten ist, dass unterschiedliche Prozessoren aus der AVR Familie unterschiedliche Sleep-Modi unterstützen oder nicht unterstützen. Auskunft über die tatsächlichen Gegebenheiten gibt, wie immer, das zum Prozessor gehörende Datenblatt. Die unterschiedlichen Modi unterscheiden sich dadurch, welche Bereiche des Prozessors abgeschaltet werden. Damit korrespondiert unmittelbar welche Möglichkeiten es gibt, den Prozessor aus den jeweiligen Sleep Modus wieder aufzuwecken.

;Idle Mode (SLEEP_MODE_IDLE): Die CPU kann durch SPI, USART, Analog Comperator, ADC, TWI, Timer, Watchdog und irgendeinen anderen Interrupt wieder aufgeweckt werden.

;ADC Noise Reduction Mode (SLEEP_MODE_ADC): In diesem Modus liegt das Hauptaugenmerk darauf, die CPU soweit stillzulegen, dass der ADC möglichst keine Störungen aus dem inneren der CPU auffangen kann. Aufwachen aus diesem Modus kann ausgelöst werden durch den ADC, externe Interrupts, TWI, Timer und Watchdog.

;Power-Down Mode (SLEEP_MODE_PWR_DOWN): In diesem Modus wird ein externer Oszillator (Quarz, Quarzoszillator) gestoppt. Geweckt werden kann die CPU durch einen externen Level Interrupt, TWI, Watchdog, Brown-Out-Reset

;Power-Save-Mode (SLEEP_MODE_PWR_SAVE): Power-Save ist identisch zu Power-Down mit einer Ausnahme: Ist der Timer 2 auf die Verwendung eines externen Taktes konfiguriert, so läuft dieser Timer auch im Power-Save weiter und kann die CPU mit einem Interrupt aufwecken.

;Standby-Mode (SLEEP_MODE_STANDBY, SLEEP_MODE_EXT_STANDBY): Voraussetzung für den Standby-Modus ist die Verwendung eines Quarzes oder eines Quarzoszillators (also einer externen Taktquelle). Ansonsten ist dieser Modus identisch zum Power-Down Modus. Vorteil dieses Modus ist eine kürzere Aufwachzeit.

Siehe auch:
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Power Management and Sleep-Modes
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/96369#832712 Forenbeitrag] zur "Nichtverwendung" von sleep_mode in ISRs.

= Zeiger =
Zeiger (engl. /pointer/), d.h. Variablen, die die Adresse von Daten oder Funktionen enthalten, belegen 16 bits. Das hängt mit dem addressierbaren Speicherbereich zusammen, und gcc reserviert dann den entsprechenden Platz.
Ggf. ist es also günstiger, Indizes auf Arrays (Listen) zu verwenden, so dass der GCC für die Zeigerarithmetik den erforderlichen RAM nur temporär benötigt.

Siehe auch: [[Zeiger]]

= Speicherzugriffe =

Atmel AVR-Controller verfügen typisch über drei Speicher:

* [[RAM]]: Im RAM (genauer statisches RAM/SRAM) wird vom gcc-Compiler Platz für Variablen reserviert. Auch der Stack befindet sich im RAM. Dieser Speicher ist "flüchtig", d.h. der Inhalt der Variablen geht beim Ausschalten oder einem Zusammenbruch der Spannungsversorgung verloren.

* Programmspeicher: Ausgeführt als FLASH-Speicher, seitenweise wiederbeschreibbar. Darin ist das Anwendungsprogramm abgelegt.

* [[EEPROM]]: Nichtflüchtiger Speicher, d.h. der einmal geschriebene Inhalt bleibt auch ohne Stromversorgung erhalten. Byte-weise schreib/lesbar. Im EEPROM werden typischerweise gerätespezifische Werte wie z. B. Kalibrierungswerte von Sensoren abgelegt.

Einige AVRs besitzen keinen RAM-Speicher, lediglich die Register können als "Arbeitsvariablen"
genutzt werden. Da die Anwendung des avr-gcc auf solch "kleinen" Controllern ohnehin selten sinnvoll ist und auch nur bei einigen RAM-losen Typen nach [http://lightner.net/avr/ATtinyAvrGcc.html "Bastelarbeiten"] möglich ist, werden diese Controller hier nicht weiter berücksichtigt. Auch EEPROM-Speicher ist nicht auf allen Typen verfügbar. Generell sollten die nachfolgenden Erläuterungen auf alle ATmega-Controller und die größeren AT90-Typen übertragbar sein. Für die Typen ATtiny2313, ATtiny26 und viele weitere der "ATtiny-Reihe" gelten die Ausführungen ebenfalls.

Siehe auch:
* [[Binäre Daten zum Programm hinzufügen]]
== RAM ==

Die Verwaltung des RAM-Speichers erfolgt durch den Compiler, im Regelfall ist beim Zugriff auf Variablen im RAM nichts Besonderes zu beachten. Die Erläuterungen in jedem brauchbaren C-Buch gelten auch für den vom avr-gcc-Compiler erzeugten Code.

Um Speicher dynamisch (während der Laufzeit) zu reservieren, kann '''malloc()''' verwendet werden. malloc(size) "alloziert" (~reserviert) einen gewissen Speicherblock mit '''size''' Bytes. Ist kein Platz für den neuen Block, wird NULL (0) zurückgegeben.

Wird der angelegte Block zu klein (groß), kann die Größe mit realloc() verändert werden. Den allozierten Speicherbereich kann man mit free() wieder freigeben. Wenn das Freigeben eines Blocks vergessen wird spricht man von einem "Speicherleck" (memory leak).

malloc() legt Speicherblöcke im '''Heap''' an, belegt man zuviel Platz, dann wächst der Heap zu weit nach oben und überschreibt den Stack, und der Controller kommt in Teufels Küche. Das kann leider nicht nur passieren wenn man insgesamt zu viel Speicher anfordert, sondern auch wenn man Blöcke unterschiedlicher Größe in ungünstiger Reihenfolge alloziert/freigibt (siehe Artikel [[Heap-Fragmentierung]]). Aus diesem Grund sollte man malloc() auf Mikrocontrollern sehr sparsam (am besten gar nicht) verwenden.

Beispiel zur Verwendung von malloc():
<c>
#include <stdlib.h>

void foo(void) {
// neuen speicherbereich anlegen,
// platz für 10 uint16
uint16_t* pBuffer = malloc(10 * sizeof(uint16_t));

// darauf zugreifen, als wärs ein gewohnter Buffer
pBuffer[2] = 5;

// Speicher (unbedingt!) wieder freigeben
free(pBuffer);
}
</c>

Wenn (wie in obigem Beispiel) dynamischer Speicher nur für die Dauer einer Funktion benötigt und am Ende wieder freigegeben wird, bietet es sich an, statt malloc() '''alloca()''' zu verwenden. Der Unterschied zu malloc() ist, dass der Speicher auf dem Stack reserviert wird, und beim Verlassen der Funktion automatisch wieder freigegeben wird. Es kann somit kein Speicherleck und keine Fragmentierung entstehen.

siehe auch:
* http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/malloc.html

== Programmspeicher (Flash) ==

Ein Zugriff auf Konstanten im Programmspeicher ist mittels avr-gcc nicht "transparent" möglich. D.h. es sind besondere Zugriffsfunktionen erforderlich, um Daten aus diesem Speicher zu lesen. Grundsätzlich basieren alle Zugriffsfunktionen auf der Assembler-Anweisung lpm (load program memory, bei AVR Controllern mit mehr als 64kB Flash auch elpm). Die Standard-Laufzeitbibliothek des avr-gcc (die avr-libc) stellt diese Funktionen nach Einbinden der Header-Datei pgmspace.h zur Verfügung. Mit diesen Funktionen können einzelne Bytes, Datenworte (16bit) und Datenblöcke gelesen werden.

Deklarationen von Variablen im Flash-Speicher werden durch das "Attribut" PROGMEM ergänzt. Lokale Variablen (eigentlich Konstanten) innerhalb von Funktionen können ebenfalls im Programmspeicher abgelegt werden. Dazu ist bei der Definition jedoch ein ''static'' voranzustellen, da solche "Variablen" nicht auf dem Stack bzw. (bei Optimierung) in Registern verwaltet werden können. Der Compiler "wirft" eine Warnung falls static fehlt.

<c>
#include <stdint.h>
#include <avr/pgmspace.h>

/* Byte */
const uint8_t pgmFooByte PROGMEM = 123;

/* Wort */
const uint16_t pgmFooWort PROGMEM = 12345;

/* Byte-Array */
const uint8_t pgmFooByteArray1[] PROGMEM = { 18, 3 ,70 };
const uint8_t pgmFooByteArray2[] PROGMEM = { 30, 7 ,79 };

/* Zeiger */
const uint8_t * const pgmPointerToArray1 PROGMEM = pgmFooByteArray1;
const uint8_t * const pgmPointerArray[] PROGMEM = { pgmFooByteArray1, pgmFooByteArray2 };

void foo(void)
{
static const uint8_t pgmTestByteLocal PROGMEM = 0x55;
static const char pgmTestStringLocal[] PROGMEM = "im Flash";
// so nicht (static fehlt)
// char pgmTestStringLocalFalsch [] PROGMEM = "so nicht";
}
</c>

=== Byte lesen ===

Mit der Funktion pgm_read_byte aus pgmspace.h erfolgt der Zugriff auf die Daten. Parameter der Funktion ist die Adresse des Bytes im Flash-Speicher.

<c>
#include <avr/pgmspace.h>

const uint8_t pgmFooByte PROGMEM = 123;
const uint8_t pgmFooByteArray1[] PROGMEM = { 18, 3, 70 };

void foo (coid)
// Wert der Ram-Variablen myByte auf den Wert von pgmFooByte setzen:
uint8_t myByte;

myByte = pgm_read_byte (&pgmFooByte);
// myByte hat nun den Wert 123

// Schleife ueber ein Array aus Byte-Werten im Flash
uint8_t i;

for (i = 0; i < 3; i++)
{
myByte = pgm_read_byte (&pgmFooByteArray1[i]);
// mach was mit myByte
}
</c>

=== Wort lesen ===

Für "einfache" 16-Bit breite Variablen erfolgt der Zugriff analog zum Byte-Beispiel, jedoch mit der Funktion <code>pgm_read_word</code>:

<c>
const uint16_t pgmFooWort PROGMEM = 12345;

uint16_t myWord = pgm_read_word (&pgmFooWort);
</c>

Zeiger auf Werte im Flash sind ebenfalls 16 Bits "groß".
Damit ist der mögliche Speicherbereich für "Flash-Konstanten" auf 64kB begrenzt.<ref>Einige avr-libc/pgmspace-Funktionen ermöglichen den Lesezugriff auf den gesamten Flash-Speicher, intern via Assembler Anweisung ELPM. Die Initialisierungswerte des Speicherinhalts jenseits der 64kB-Marke müssen dann jedoch auf anderem Weg angelegt werden, d.h. nicht per PROGMEM; evtl. eigene Section und Linker-Optionen. Alt und nicht ganz korrekt: Die avr-libc pgmspace-Funktionen unterstützen nur die unteren 64kB Flash bei Controllern mit mehr als 64kB.</ref>

<c>
const uint8_t *ptrToArray;

ptrToArray = (const uint8_t*) pgm_read_word (&pgmPointerToArray1);
// ptrToArray enthält nun die Startadresse des Byte-Arrays pgmFooByteArray1
// Allerdings würde ein direkter Zugriff mit diesem Pointer (z. B. temp=*ptrToArray)
// nicht den Inhalt von pgmFooByteArray1[0] liefern, sondern von einer Speicherstelle
// im RAM, die die gleiche Adresse hat wie pgmFooByteArray1[0]
// Daher muss nun die Funktion pgm_read_byte() benutzt werden, die die in ptrToArray
// enthaltene Adresse benutzt und auf das Flash zugreift.

for (i = 0; i < 3; i++)
{
myByte = pgm_read_byte (ptrToArray+i);
// mach was mit myByte... (18, 3, 70)
}

ptrToArray = (const uint8_t*) pgm_read_word (&pgmPointerArray[1]);

// ptrToArray enthält nun die Adresse des ersten Elements des Byte-Arrays pgmFooByteArray2
// da im zweiten Element des Pointer-Arrays pgmPointerArray die Adresse
// von pgmFooByteArray2 abgelegt ist

for (i = 0; i < 3; i++)
{
myByte = pgm_read_byte (ptrToArray+i);
// mach was mit myByte... (30, 7, 79)
}
</c>

=== Block lesen ===
In den Standard-Flash Funktionen ist keine der pgm_read_xxxx Nomenklatur folgenden Funktion enthalten, die einen kompletten Block ausliest. Die enstprechende Funktion ist eine Variante von memcpy und heißt memcpy_P().

Was diese Funktion im Prinzip macht, ist einfach in einer Schleife pgm_read_byte zu benutzen, um einen Speicherblock von der Quelladresse im Flash an eine Zieladresse im SRAM zu kopieren.

<c>
void pgm_read_block( uint8_t* pTarget, const uint8_t* pSource, size_t len )
{
size_t i;

for( i = 0; i < len; ++i )
*pTarget++ = pgm_read_byte( pSource++ );
}
</c>

Damit ist es dann natürlich kein Problem mehr ganze Arrays oder Strukturen aus dem Flash in das SRAM zu übertragen.

=== Strings lesen ===
Strings sind in C nichts anderes als eine Abfolge von Zeichen. Der prinzipielle Weg ist daher identisch zu "Bytes lesen", wobei allerdings auf die [http://www.mikrocontroller.net/articles/FAQ#Wie_funktioniert_String-Verarbeitung_in_C.3F Besonderheiten von Strings] wie 0-Terminierung geachtet werden muss, bzw. diese zur Steuerung einer Schleife über die Zeichen im String ausgenutzt werden kann

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/pgmspace.h>

const char pgmString[] PROGMEM = "Hello world";

int main()
{
char c;
const char* addr;

addr = pgmString;
while (c = pgm_read_byte (addr++), c != '\0')
{
// mach was mit c
}
}
</c>

Zur Unterstützung des Programmierers steht das Repertoir der str-Funktionen auch in jeweils eine Variante zur Verfügung, die mit dem Flash-Speicher arbeiten kann. Die Funktionsnamen tragen den Suffix <tt>_P</tt>.

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/pgmspace.h>

const char pgmString[] PROGMEM = "Hallo world";

void foo (void)
{
char string[40];

strcpy_P (string, pgmString);
}
</c>

=== Float lesen ===

Auch um floats zu lesen gibt es ein Makro:

<c>
float pgmFloatArray[3] PROGMEM = {1.1, 2.2, 3.3};

void read_float (void)
{
int i;
float f;

for (i=0; i<3; i++)
{
// entspricht f = pgmFloatArray[i];
f = pgm_read_float (&pgmFloatArray[i]);
// mach was mit f
}
}
</c>

TODO: Beispiele für structs und pointer aus Flash auf struct im Flash (menues, state-machines etc.). Eine kleine Einleitung insbesondere auch in Bezug auf die auftretenden Schwierigkeiten liefert [http://www.mail-archive.com/avr-gcc-list@nongnu.org/msg05652.html].

=== Array aus Strings im Flash-Speicher ===

Arrays aus Strings im Flash-Speicher werden in zwei Schritten angelegt: Zuerst die einzelnen Elemente des Arrays und im Anschluss ein Array, in dem die Startaddressen der Strings abgelegt werden. Zum Auslesen wird zuerst die Adresse des i-ten Elements aus dem Array im Flash-Speicher gelesen, die im Anschluss dazu genutzt wird, auf das Element (den String) selbst zuzugreifen.

<c>
#include <stdint.h>
#include <avr/pgmspace.h>

const char str1[] PROGMEM = "first_A";
const char str2[] PROGMEM = "second_A";
const char str3[] PROGMEM = "third_A";

const char * const strarray1[] PROGMEM =
{
str1,
str2,
str3
};

static char work[20];

void read_strings (void)
{
size_t i;

for (i = 0; i < sizeof (strarray1) / sizeof (strarray1[0]); i++)
{
size_t j, len;

// setze Pointer auf die Addresse des i-ten Elements des
// Flash-Arrays (str1, str2, ...)
const char *pstrflash = (const char*) pgm_read_word (&strarray1[i]);

// kopiere den Inhalt der Zeichenkette von der
// in pstrflash abgelegten Adresse in das work-Array
// analog zu strcpy( work, strarray1[i]) wenn alles im RAM
strcpy_P (work, pstrflash);

// Gleichbedeutend damit:
strcpy_P (work, (const char*) pgm_read_word (&strarray1[i]));

// Zeichen-fuer-Zeichen
len = strlen_P (&strarray1[i]);

// <= da auch das Stringende-Zeichen kopiert werden soll
for (j = 0; j <= len; j++)
{
// analog zu work[j] = strarray[i][j] wenn alles im RAM
work[i] = (char) pgm_read_byte (pstrflash++);
}
}
}
</c>

Siehe dazu auch die avr-libc FAQ: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/FAQ.html#faq_rom_array How do I put an array of strings completely in ROM?]

=== Vereinfachung für Zeichenketten (Strings) im Flash ===

Zeichenketten können innerhalb des Quellcodes als "Flash-Konstanten" ausgewiesen werden. Dazu dient das Makro PSTR aus pgmspace.h. Dies erspart die getrennte Deklaration mit PROGMEM-Attribut.

<c>
#include <string.h>
#include <avr/pgmspace.h>

#define MAXLEN 30

char StringImFlash[] PROGMEM = "Erwin Lindemann";
char StringImRam[MAXLEN];

void read_string (void)
{
strcpy (StringImRam, "Mueller-Luedenscheidt");

if (!strncmp_P (StringImRam, StringImFlash, 5))
{
// mach was, wenn die ersten 5 Zeichen identisch - hier nicht
}
else
{
// der Code hier wuerde ausgefuehrt
}

if (!strncmp_P (StringImRam, PSTR("Mueller-Schmitt"), 5))
{
// der Code hier wird ausgefuehrt, wenn die ersten
// 5 Zeichen uebereinstimmen
}
else
{
// wird bei Nicht-Uebereinstimmung ausgefuehrt
}
}
</c>

Aber Vorsicht: Ersetzt man zum Beispiel
<c>
// Daten im "Flash"
const char flashText[] PROGMEM = "mit[]";
</c>
durch
<c>
// Hier wird "mit*" im RAM angelegt und flashPointer
// enthaelt die Adresse
const char* const flashPointer PROGMEM = "mit*";
</c>
dann kann es zu Problemen kommen.

Übergibt man Zeichenketten, die im Flash abglegt sind an eine Funktion – also die Adresse des ersten Zeichens – so muss die Funktion entsprechend programmiert sein. Die Funktion selbst hat keine Möglichkeit zu unterscheiden, ob es sich um eine Flash-Adresse oder ein RAM-Adresse handelt. Die avr-libc und viele andere avr-gcc-Bibliotheken halten sich an die Konvention, dass Namen von Funktionen, die Flash-Adressen erwarten, mit dem Suffix <code>_P</code> versehen sind.

Eine Funktion, die einen im Flash abgelegten String z. B. an eine UART ausgibt, würde dann so aussehen:

<c>
void uart_puts_p (const char *text)
{
char zeichen;

while ((zeichen = pgm_read_byte (text)))
{
// so lange, wie mittels pgm_read_byte nicht das Stringende
// gelesen wurde: gib dieses Zeichen aus

uart_putc (Zeichen);
text++;
}
}
</c>

Von einigen Bibliotheken werden Makros definiert, die "automatisch" ein PSTR bei Verwendung einer Funktion einfügen. Ein Blick in den Header-File der Bibliothek zeigt, ob dies der Fall ist. Ein Beispiel aus P. Fleurys lcd-Library:

<c>
// Ausschnitt aus dem Header-File lcd.h der "Fleury-LCD-Lib."
extern void lcd_puts_p (const char *progmem_s);
#define lcd_puts_P(__s) lcd_puts_p(PSTR(__s))

// in einer Anwendung
#include <avr/pgmspace.h>
#include <string.h>
#include "lcd.h"

const char StringImFlash[] PROGMEM = "Erwin Lindemann";

void my_write (coid)
{
lcd_puts_p (StringImFlash);
lcd_puts_P ("Dr. Kloebner");
}</c>

=== Flash in der Anwendung schreiben ===

Bei AVRs mit "self-programming"-Option – auch bekannt als [[Bootloader]]-Support – können Teile des Flash-Speichers vom Anwendungsprogramm beschrieben werden. Dies ist nur möglich, wenn die Schreibfunktion in einem besonderen Speicherbereich, der boot-section des Programmspeichers/Flash, abgelegt ist.

Bei einigen kleinen AVRs gibt es keine gesonderte Boot-Section, bei diesen kann der Flashspeicher von jeder Stelle des Programms geschrieben werden. Für Details sei hier auf das jeweilige Controller-Datenblatt und die Erläuterungen zum Modul boot.h der avr-libc verwiesen. Es existieren auch Application-Notes dazu bei atmel.com, die auf avr-gcc-Code übertragbar sind.

Siehe auch:
* Forumsbeitrag [http://www.mikrocontroller.net/topic/163632#1561622 Daten in Programmspeicher speichern]

=== Warum so kompliziert? ===

Zu dem Thema, warum die Verabeitung von Werten aus dem Flash-Speicher so kompliziert ist, sei hier nur kurz erläutert: Die Harvard-Architektur des AVR weist getrennte Adressräume für Programm(Flash)- und Datenspeicher(RAM) auf. Der C-Standard und der gcc-Compiler sehen keine unterschiedlichen Adressräume vor.

Hat man zum Beispiel eine Funktion string_an_uart(const char* s) und übergibt an diese Funktion die Adresse einer Zeichenkette, z. B. 0x01fe, weiß die Funktion nicht, ob die Adresse auf den Flash-Speicher oder den/das RAM zeigt. Allein aus dem Pointer-Wert, also dem Zahlenwert, kann nicht auf den Ort der Ablage geschlossen werden.

Einige AVR-Compiler bilden die Harvard-Architektur ab, indem sie in einen Pointer nicht nur die Adresse speichern, sondern auch den Ablageort wie ''Flash'' oder ''RAM''. In einem Aufruf einer Funktion wird dann bei Pointer-Parametern neben der Adresse auch der Speicherbereich, auf den der Pointer zeigt, übergeben. Dies hat jedoch auch Nachteile, denn bei jeden Zugriff über einen Zeiger muss zur ''Laufzeit'' entschieden werden, wie der Zugriff auszuführen ist und entsprechend länglicher und langsamer kann Code ausgeführt werden.

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitte Modules/Program Space String Utilities und Abschnitt Modules/Bootloader Support Utilities

== EEPROM ==

Man beachte, dass der EEPROM-Speicher nur eine begrenzte Anzahl von Schreibzugriffen zulässt. Beschreibt man eine EEPROM-Zelle öfter als die im Datenblatt zugesicherte Anzahl (typisch 100.000), wird die Funktion der Zelle nicht mehr garantiert.
Dies gilt für jede einzelne Zelle. Bei geschickter Programmierung (z. B. Ring-Puffer), bei der die zu beschreibenden Zellen regelmäßig gewechselt werden, kann man eine deutlich höhere Anzahl an Schreibzugriffen, bezogen auf den Gesamtspeicher, erreichen.

Schreib- und Lesezugriffe auf den EEPROM-Speicher erfolgen über die im Modul eeprom.h definierten Funktionen. Mit diesen Funktionen können einzelne Bytes, Datenworte (16bit) und Datenblöcke geschrieben und gelesen werden.

Bei Nutzung des EEPROMs ist zu beachten, dass vor dem Zugriff auf diesen Speicher abgefragt wird, ob der Controller die vorherige EEPROM-Operation abgeschlossen hat. Die avr-libc-Funktionen beinhalten diese Prüfung, man muss sie nicht selbst implementieren. Man sollte auch verhindern, dass der Zugriff durch die Abarbeitung einer Interrupt-Routine unterbrochen wird, da bestimme Befehlsabfolgen vorgegeben sind, die innerhalb weniger Taktzyklen aufeinanderfolgen müssen ("timed sequence"). Auch dies muss bei Nutzung der Funktionen aus der avr-libc/eeprom.h-Datei nicht selbst implementiert werden. Innerhalb der Funktionen werden Interrupts vor der "EEPROM-Sequenz" global deaktiviert und im Anschluss, falls vorher auch schon eingeschaltet, wieder aktiviert.

Um eine Variable im EEPROM anzulegen, stellt die avr-libc das Makro EEMEM zur Verfügung<ref>In älteren Versionen der avr-libc ist EEMEM noch nicht vorhanden, und man kann sich folgendermassen behelfen:
<c>
#include <avr/eeprom.h>

#ifndef EEMEM
#define EEMEM __attribute__((section (".eeprom")))
#endif
</c></ref>, das analog zu PROGMEM verwendet wird.

<c>
#include <stdint.h>
#include <avr/eeprom.h>

/* Byte */
uint8_t eeFooByte EEMEM = 123;

/* Wort */
uint16_t eeFooWord EEMEM = 12345;

/* float */
float eeFooFloat EEMEM;

/* Byte-Array */
uint8_t eeFooByteArray1[] EEMEM = { 18, 3, 70 };
uint8_t eeFooByteArray2[] EEMEM = { 30, 7, 79 };

/* 16-bit unsigned short feld */
uint16_t eeFooWordArray1[4] EEMEM;
</c>

=== Bytes lesen/schreiben ===

Die avr-libc Funktion zum Lesen eines Bytes heißt eeprom_read_byte. Parameter ist die Adresse des Bytes im EEPROM. Geschrieben wird über die Funktion eeprom_write_byte mit den Parametern Adresse und Inhalt. Anwendungsbeispiel:

<c>
#define EEPROM_DEF 0xFF

void eeprom_example (void)
{
uint8_t myByte;

// myByte lesen (Wert = 123)
myByte = eeprom_read_byte (&eeFooByte);

// der Wert 99 wird im EEPROM an die Adresse der
// Variablen eeFooByte geschrieben
myByte = 99;
eeprom_write_byte(&eeFooByte, myByte); // schreiben

myByte = eeprom_read_byte &eeFooByteArray1[1]);
// myByte hat nun den Wert 3

// Beispiel zur "Sicherung" gegen leeres EEPROM nach "Chip Erase"
// (z. B. wenn die .eep-Datei nach Programmierung einer neuen Version
// des Programms nicht in den EEPROM uebertragen wurde und EESAVE
// deaktiviert ist (unprogrammed/1)
//
// Vorsicht: wenn EESAVE "programmed" ist, hilft diese Sicherung nicht
// weiter, da die Speicheraddressen in einem neuen/erweiterten Programm
// moeglicherweise verschoben wurden. An der Stelle &eeFooByte steht
// dann u.U. der Wert einer anderen Variable aus einer "alten" Version.

uint8_t fooByteDefault = 222;
if ((myByte = eeprom_read_byte (&eeFooByte)) == EEPROM_DEF)
{
myByte = fooByteDefault;
}
}
</c>

=== Wort lesen/schreiben ===

Schreiben und Lesen von Datenworten erfolgt analog zur Vorgehensweise bei Bytes:

<c>
// lesen
uint16_t myWord = eeprom_read_word (&eeFooWord);

// schreiben
eeprom_write_word (&eeFooWord, 2222);
</c>

=== Block lesen/schreiben ===

Lesen und Schreiben von Datenblöcken erfolgt über die Funktionen <code>eeprom_read_block()</code> bzw. <code>eeprom_write_block()</code>. Die Funktionen erwarten drei Parameter: die Adresse der Quell- bzw. Zieldaten im RAM, die EEPROM-Addresse und die Länge des Datenblocks in Bytes als <code>size_t</code>.
<c>
uint8_t myByteBuffer[3];
uint16_t myWordBuffer[4];

void eeprom_block_example (void)
{
/* Datenblock aus EEPROM lesen */

/* liest 3 Bytes ab der von eeFooByteArray1 definierten EEPROM-Adresse
in das RAM-Array myByteBuffer */
eeprom_read_block (myByteBuffer, eeFooByteArray1, 3);

/* dito mit etwas Absicherung betr. der Länge */
eeprom_read_block (myByteBuffer, eeFooByteArray1, sizeof(myByteBuffer));

/* und nun mit 16-Bit Array */
eeprom_read_block (myWordBuffer, eeFooWordArray1, sizeof(myWordBuffer));

/* Datenblock in EEPROM schreiben */
eeprom_write_block (myByteBuffer, eeFooByteArray1, sizeof(myByteBuffer));
eeprom_write_block (myWordBuffer, eeFooWordArray1, sizeof(myWordBuffer));
}
</c>

Ebenso lassen sich float-Variablen lesen und schreiben:

<c>
#include <avr/eeprom.h>

float eeFloat EEMEM = 12.34f;

float void eeprom_float_example (float value)
{
/* float in EEPROM schreiben */
eeprom_write_float (&eeFloat, value);

/* float aus EEPROM lesen */
return eeprom_read_float (&eeFloat);
}</c>

=== EEPROM-Speicherabbild in .eep-Datei ===

Mit den zum Compiler gehörenden Werkzeugen kann der aus den Variablendeklarationen abgeleitete EEPROM-Inhalt in eine Datei geschrieben werden. Die übliche Dateiendung ist .eep, Daten im Intel Hex-Format. Damit können Standardwerte für den EEPROM-Inhalt im Quellcode definiert werden.

Makefiles nach WinAVR/MFile-Vorlage enthalten bereits die notwendigen Einstellungen, siehe dazu die Erläuterungen im [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs Makefiles|Exkurs Makefiles]].

Der Inhalt der eep-Datei muss ebenfalls zum Mikrocontroller übertragen werden, wenn die Initialisierungswerte aus der Deklaration vom Programm erwartet werden. Ansonsten enthält der EEPROM-Speicher nach der Übertragung des Programmers mittels ISP abhängig von der Einstellung der EESAVE-Fuse<ref>vgl. Datenblatt Abschnitt Fuse Bits</ref> nicht die korrekten Werte:
; EESAVE = 0 (programmed): Die Daten im EEPROM bleiben erhalten. Werden sie nicht neu geschrieben, so enthält das EEPROM evtl. Daten, die nicht mehr zum Programm passen.
; EESAVE = 1 (unprogrammed): Beim Programmieren werden die Daten im EEPROM gelosch, also auf 0xff gesetzt.

Als Sicherung kann man im Programm nochmals die Standardwerte vorhalten, beim Lesen auf 0xFF prüfen und gegebenfalls einen Standardwert nutzen.

=== Direkter Zugriff auf EEPROM-Adressen ===

Will man direkt auf bestimmte EEPROM Adressen zugreifen, dann sind folgende Funktionen hilfreich, um sich die Typecasts zu ersparen:

<c>
#include <avr/eeprom.h>

// Byte aus dem EEPROM lesen
uint8_t EEPReadByte(uint16_t addr)
{
return eeprom_read_byte((uint8_t *)addr);
}

// Byte in das EEPROM schreiben
void EEPWriteByte(uint16_t addr, uint8_t val)
{
eeprom_write_byte((uint8_t *)addr, val);
}
</c>

oder als Makro:

<c>
#define EEPReadByte(addr) eeprom_read_byte((uint8_t *)addr)
#define EEPWriteByte(addr, val) eeprom_write_byte((uint8_t *)addr, val)
</c>

Verwendung:

<c>
EEPWriteByte(0x20, 128); // Byte an die Adresse 0x20 schreiben
...
Val=EEPReadByte(0x20); // EEPROM-Wert von Adresse 0x20 lesen
</c>

=== Bekannte Probleme bei den EEPROM-Funktionen ===

Vorsicht: Bei alten Versionen der avr-libc wurden nicht alle AVR Controller unterstützt. Z.B. bei der avr-libc Version 1.2.3 insbesondere bei AVRs "der neuen Generation" (ATmega48/88/168/169) funktionieren die Funktionen nicht korrekt (Ursache: unterschiedliche Speicheradressen der EEPROM-Register). In neueren Versionen (z. B. avr-libc 1.4.3 aus WinAVR 20050125) wurde die Zahl der unterstüzten Controller deutlich erweitert und eine Methode zur leichten Anpassung an zukünftige Controller eingeführt.

In jedem Datenblatt zu AVR-Controllern mit EEPROM sind kurze Beispielecodes für den Schreib- und Lesezugriff enthalten. Will oder kann man nicht auf die neue Version aktualisieren, kann der dort gezeigte Code auch mit dem avr-gcc (ohne avr-libc/eeprom.h) genutzt werden ("copy/paste", gegebenfalls Schutz vor Unterbrechnung/Interrupt ergänzen ''uint8_t sreg; sreg=SREG; cli(); [EEPROM-Code] ; SREG=sreg; return;'', siehe Abschnitt Interrupts). Im Zweifel hilft ein Blick in den vom Compiler erzeugten Assembler-Code (lst/lss-Dateien).

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/EEPROM handling

=== EEPROM Register ===
Um das EEPROM anzusteuern, sind drei Register von Bedeutung:
;EEAR: Hier werden die Adressen eingetragen zum Schreiben oder Lesen. Dieses Register unterteilt sich nochmal in EEARH und EEARL, da in einem 8-Bit-Register keine 512 Adressen adressiert werden können.
;EEDR: Hier werden die Daten eingetragen, die geschrieben werden sollen, bzw. es enthält die gelesenen Daten.
;EECR: Ist das Kontrollregister für das EEPROM

Das EECR steuert den Zugriff auf das EEPROM und ist wie folgt aufgebaut:

:{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''Aufbau des EECR-Registers'''
|-
!Bit
| 7 || 6 || 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| - || - || - ||- || EERIE || EEMWE || EEWE || EERE
|-
! Read/Write
| R || R || R || R || R/W || R/W || R/W || R/W
|-
!Init Value
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0
|}

'''Bedeutung der Bits'''

;Bit 4-7: nicht belegt

;Bit 3 (EERIE): ''EEPROM Ready Interrupt Enable'': Wenn das Bit gesetzt ist und globale Interrupts erlaubt sind in Register SREG (Bit 7), wird ein Interrupt ausgelöst nach Beendigung des Schreibzyklus (EEPROM Ready Interrupt). Ist einer der beiden Bits 0, wird kein Interrupt ausgelöst.

;Bit 2 EEMWE): ''EEPROM Master Write Enable'': Dieses Bit bestimmt, dass, wenn EEWE = 1 gesetzt wird (innerhalb von 4 Taktzyklen), das EEPROM beschrieben wird mit den Daten in EEDR bei Adresse EEAR. Wenn EEMWE = 0 ist und EEWE = 1 gesetzt wird, hat das keine Auswirkungen. Der Schreibvorgang wird dann nicht ausgelöst. Nach 4 Taktzyklen wird das Bit EEMWE automatisch wieder auf 0 gesetzt. Dieses Bit löst den Schreibvorgang nicht aus, es dient sozusagen als Sicherungsbit für EEWE.

;Bit 1 (EEWE): ''EEPROM Write Enable'': Dieses Bit löst den Schreibvorgang aus, wenn es auf 1 gesetzt wird, sofern vorher EEMWE gesetzt wurde und seitdem nicht mehr als 4 Taktzyklen vergangen sind. Wenn der Schreibvorgang abgeschlossen ist, wird dieses Bit automatisch wieder auf 0 gesetzt und, sofern EERIE gesetzt ist, ein Interrupt ausgelöst. Ein Schreibvorgang sieht typischerweise wie folgt aus:
:# EEPROM-Bereitschaft abwarten (EEWE=0)
:# Adresse übergeben an EEAR
:# Daten übergeben an EEDR
:# Schreibvorgang auslösen in EECR mit Bit EEMWE=1 und EEWE=1
:# (Optional) Warten, bis Schreibvorgang abgeschlossen ist

;Bit 0 EERE: ''EEPROM Read Enable'': Wird dieses Bit auf 1 gesetzt wird das EEPROM an der Adresse in EEAR ausgelesen und die Daten in EEDR gespeichert. Das EEPROM kann nicht ausgelesen werden, wenn bereits eine Schreiboperation gestartet wurde. Es ist daher zu empfehlen, die Bereitschaft vorher zu prüfen. Das EEPROM ist lesebereit, wenn das Bit EEWE=0 ist. Ist der Lesevorgang abgeschlossen, wird das Bit wieder auf 0 gesetzt, und das EEPROM ist für neue Lese- und Schreibbefehle wieder bereit. Ein typischer Lesevorgang kann wie folgt aufgebaut sein:
:# Bereitschaft zum Lesen prüfen (EEWE=0)
:# Adresse übergeben an EEAR
:# Lesezyklus auslösen mit EERE = 1
:# Warten, bis Lesevorgang abgeschlossen EERE = 0
:# Daten abholen aus EEDR

= Die Nutzung von sprintf und printf =

Um komfortabel, d.h. formatiert, Ausgaben auf ein Display oder die serielle Schnittstelle zu tätigen, bieten sich '''sprintf''' oder '''printf''' an. Alle *printf-Varianten sind jedoch ziemlich speicherintensiv und der Einsatz in einem Mikrocontroller mit knappem Speicher muss sorgsam abgewogen werden.

Bei '''sprintf''' wird die Ausgabe zunächst in einem Puffer vorbereitet und anschließend mit einfachen Funktionen zeichenweise ausgegeben. Es liegt in der Verantwortung des Programmierers, genügend Platz im Puffer für die erwarteten Zeichen bereitzuhalten.

<c>
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

// ...
// nicht dargestellt: Implementierung von uart_puts (vgl. Abschnitt UART)
// ...

uint16_t counter;

// Ausgabe eines unsigned Integerwertes
void uart_puti( uint16_t value )
{
uint8_t puffer[20];

sprintf( puffer, "Zählerstand: %u", value );
uart_puts( puffer );
}

int main()
{
counter = 5;

uart_puti( counter );
uart_puti( 42 );
}
</c>

Eine weitere elegante Möglichkeit besteht darin, den STREAM stdout (Standardausgabe) auf eine eigene Ausgabefunktion umzuleiten. Dazu wird dem Ausgabemechanismus der C-Bibliothek eine neue Ausgabefunktion bekannt gemacht, deren Aufgabe es ist, ein einzelnes Zeichen auszugeben. Wohin die Ausgabe dann tatsächlich stattfindet, ist Sache der Ausgabefunktion. Im Beispiel unten wird auf UART ausgegeben. Alle anderen, höheren Funktionen wie z. B. '''printf''', greifen letztendlich auf diese primitive Ausgabefunktion zurück.

<c>
#include <avr/io.h>
#include <stdio.h>

void uart_init(void);

// a. Deklaration der primitiven Ausgabefunktion
int uart_putchar(char c, FILE *stream);

// b. Umleiten der Standardausgabe stdout (Teil 1)
static FILE mystdout = FDEV_SETUP_STREAM( uart_putchar, NULL, _FDEV_SETUP_WRITE );

// c. Definition der Ausgabefunktion
int uart_putchar( char c, FILE *stream )
{
if( c == '\n' )
uart_putchar( '\r', stream );

loop_until_bit_is_set( UCSRA, UDRE );
UDR = c;
return 0;
}

void uart_init(void)
{
/* hier µC spezifischen Code zur Initialisierung */
/* des UART einfügen... s.o. im AVR-GCC-Tutorial */

// Beispiel:
//
// myAVR Board 1.5 mit externem Quarz Q1 3,6864 MHz
// 9600 Baud 8N1

#ifndef F_CPU
#define F_CPU 3686400
#endif
#define UART_BAUD_RATE 9600

// Hilfsmakro zur UBRR-Berechnung ("Formel" laut Datenblatt)
#define UART_UBRR_CALC(BAUD_,FREQ_) ((FREQ_)/((BAUD_)*16L)-1)

UCSRB |= (1<<TXEN) | (1<<RXEN); // UART TX und RX einschalten
UCSRC |= (1<<URSEL)|(3<<UCSZ0); // Asynchron 8N1

UBRRH = (uint8_t)( UART_UBRR_CALC( UART_BAUD_RATE, F_CPU ) >> 8 );
UBRRL = (uint8_t)UART_UBRR_CALC( UART_BAUD_RATE, F_CPU );
}

int main(void)
{
int16_t antwort = 42;
uart_init();

// b. Umleiten der Standardausgabe stdout (Teil 2)
stdout = &mystdout;

// Anwendung
printf( "Die Antwort ist %d.\n", antwort );
return 0;
}

// Quelle: avr-libc-user-manual-1.4.3.pdf, S.74
// + Ergänzungen
</c>

Sollen Fließkommazahlen ausgegeben werden, muss im Makefile eine andere (größere) Version der [[FAQ#Aktivieren_der_Floating_Point_Version_von_sprintf_beim_WinAVR_mit_AVR-Studio|printflib]] eingebunden werden.

= Anhang =

== Externe Referenzspannung des internen Analog-Digital-Wandlers ==

Die minimale (externe) Referenzspannung des ADC darf nicht beliebig niedrig sein, vgl. dazu das (aktuellste) Datenblatt des verwendeten Controllers. z. B. beim ATMEGA8 darf sie laut Datenblatt (S.245, Tabelle 103, Zeile "VREF") 2,0V nicht unterschreiten. HINWEIS: diese Information findet sich erst in der letzten Revision (Rev. 2486O-10/04) des Datenblatts.

Meiner  eigenen Erfahrung nach kann man aber (auf eigene Gefahr und natürlich nicht für Seriengeräte) durchaus noch ein klein wenig weiter heruntergehen, bei dem von mir unter die Lupe genommenen ATMEGA8L (also die Low-Voltage-Variante) funktioniert der ADC bei 5V Betriebsspannung mit bis zu VREF=1,15V hinunter korrekt, ab 1,1V und darunter digitalisiert er jedoch nur noch Blödsinn). Ich würde sicherheitshalber nicht unter 1,5V gehen und bei niedrigeren Betriebsspannungen mag sich die Untergrenze für VREF am Pin AREF ggf. nach oben'''(!)''' verschieben.

In der letzten Revision des Datenblatts ist außerdem korrigiert, dass ADC4 und ADC5 sehr wohl 10 Bit Genauigkeit bieten (und nicht bloß 8 Bit, wie in älteren Revisionen irrtümlich angegeben.)

= Anmerkungen =
<references/>
6. im bsp Quellcode zum ADC steht nicht explixit drin dass es sich um die singleconversion handelt da das ADFR bit nicht gesetzt wurde und es per default auf 0 steht. Ist kein schlimmer Fehlero.ä aber ich denke es wäre ein guter Hinweis.

= TODO =
* Aktualisierung Register- und Bitbeschreibungen an aktuelle AVR
* stdio.h, malloc()
* "naked"-Funktionen
* Übersicht zu den C bzw. GCC-predefined Makros (__DATE__, __TIME__,...)
* Bootloader => erl. [[AVR Bootloader in C - eine einfache Anleitung]]
* [http://myweb.msoe.edu/~barnicks/courses/CE-2800/documents/Mixing%20C%20and%20assembly%20language%20programs.pdf Mixing C and assembly language programs] Copyright © 2007 William Barnekow (PDF).

[[Kategorie:avr-gcc Tutorial| ]]

AVR-GCC-Tutorial

2011-10-09T05:46:20Z

Mfgkw: /* Nutzung des ADC */

= Voraussetzungen =

Vorausgesetzt werden Grundkenntnisse der Progammiersprache C. Diese Kenntnisse kann man sich online erarbeiten, z. B. mit dem [http://www.schellong.de/c.htm C Tutorial von Helmut Schellong] ([[C|Liste von C-Tutorials]]). Nicht erforderlich sind Vorkenntnisse in der Programmierung von Mikrocontrollern, weder in Assembler noch in einer anderen Sprache.

= Vorwort =

Dieses Tutorial soll den Einstieg in die Programmierung von Atmel [[AVR]]-Mikrocontrollern in der Programmiersprache [[C]] mit dem freien C-Compiler [[AVR-GCC]] aus der [http://gcc.gnu.org/ GNU Compiler Collection] erleichtern.

In diesem Text wird häufig auf die Standardbibliothek avr-libc verwiesen, für die es eine [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Online-Dokumentation] gibt, in der sich auch viele nützliche Informationen zum Compiler und zur Programmierung von AVR Controllern finden (beim Packet WinAVR gehört die avr-libc Dokumentation zum Lieferumfang und wird mitinstalliert).

Der Compiler und die Standardbibliothek avr-libc werden stetig weiterentwickelt. Einige Unterschiede, die sich im Verlauf der Entwicklung ergeben haben, werden im Haupttext und Anhang zwar erläutert, Anfängern sei jedoch empfohlen, die aktuellen Versionen zu nutzen (für MS-Windows: aktuelle Version des [[WinAVR]]-Pakets; für Linux: siehe Artikel [[AVR und Linux]]).

Das ursprüngliche Tutorial stammt von Christian Schifferle, viele neue Abschnitte und aktuelle Anpassungen von Martin Thomas.

Dieses Tutorial ist in PDF-Form hier erhältlich (nicht immer auf aktuellem Stand):
[[Media:AVR-GCC-Tutorial.pdf]]

== Weiterführende Kapitel ==

Um dieses riesige Tutorial etwas überschaubarer zu gestalten, wurden einige Kapitel ausgelagert, die nicht unmittelbar mit den Grundlagen von avr-gcc in Verbindung stehen. All diese Seiten gehören zur [[:Kategorie:avr-gcc Tutorial]].
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Der UART|Der UART]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Der Watchdog|Der Watchdog]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Die Timer und Zähler des AVR|Die Timer und Zähler des AVR]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs Makefiles|Exkurs Makefiles]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/LCD-Ansteuerung|LCD-Ansteuerung]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Alte Quellen|Alte Quellen anpassen]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Assembler und Inline-Assembler|Assembler und Inline-Assembler]]

= Benötigte Werkzeuge =

Um eigene Programme für AVRs mittels avr-gcc/avr-libc zu erstellen und zu testen, wird folgende Hard- und Software benötigt:

* Platine oder Versuchsaufbau für die Aufnahme eines AVR Controllers, der vom avr-gcc Compiler unterstützt wird (alle ATmegas und die meisten AT90, siehe Dokumentation der avr-libc für unterstützte Typen). Dieses Testboard kann durchaus auch selbst gelötet oder auf einem Steckbrett aufgebaut werden. Einige Registerbeschreibungen dieses Tutorials beziehen sich auf den inzwischen veralteten AT90S2313. Der weitaus größte Teil des Textes ist aber für alle Controller der AVR-Familie gültig. Brauchbare Testplattformen sind auch das [[STK500]] und der [[AVR Butterfly]] von Atmel. Weitere Infos findet man in den Artikeln [[AVR#Starterkits|AVR Starterkits]] und [[AVR-Tutorial: Equipment]].

* Der avr-gcc Compiler und die avr-libc. Kostenlos erhältlich für nahezu alle Plattformen und Betriebssysteme. Für MS-Windows im Paket [[WinAVR]]; für Unix/Linux siehe auch Hinweise im Artikel [[AVR-GCC]] und im Artikel [[AVR und Linux]].

* Programmiersoftware und -[[AVR In System Programmer |hardware]] z. B. PonyProg (siehe auch: [[Pony-Prog Tutorial]]) oder [[AVRDUDE]] mit [[STK200]]-Dongle oder die von Atmel verfügbare Hard- und Software ([[STK500]], Atmel AVRISP, [[AVR-Studio]]).

* Nicht unbedingt erforderlich, aber zur Simulation und zum Debuggen unter MS-Windows recht nützlich: [[AVR-Studio]] (siehe Artikel [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs_Makefiles|Exkurs: Makefiles]]).

* Wer unter Windows und Linux gleichermassen entwickeln will, der sollte sich die [http://www.eclipse.org/ IDE Eclipse for C/C++ Developers] und das [http://avr-eclipse.sourceforge.net/wiki/index.php/The_AVR_Eclipse_Plugin AVR-Eclipse Plugin ] ansehen, beide sind unter Windows und Linux einfach zu installieren. Hier gibt es auch einen [[AVR_Eclipse|Artikel AVR Eclipse]] in dieser Wiki. Ebenfalls unter Linux und Windows verfügbar ist die Entwicklungsumgebung [http://www.codeblocks.org/ Code::Blocks] (aktuelle, stabile Versionen sind als Nightly Builds regelmäßig im [http://forums.codeblocks.org/ Forum] verfügbar). Innerhalb dieser Entwicklungsumgebung können ohne die Installation zusätzlicher Plugins "AVR-Projekte" angelegt werden. Für Linux gibt es auch noch das [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=25220&postdays=0&postorder=asc&start=0 KontrollerLab].

= Was tun, wenn's nicht "klappt"? =

* Herausfinden, ob es tatsächlich ein avr(-gcc) spezifisches Problem ist oder nur die eigenen C-Kenntnisse einer Auffrischung bedürfen. Allgemeine C-Fragen kann man eventuell "beim freundlichen Programmierer zwei Büro-, Zimmer- oder Haustüren weiter" loswerden. Ansonsten: [[C]]-Buch (gibt's auch "gratis" online) lesen.

* Die [[AVR Checkliste]] durcharbeiten.

* Die '''[http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc]''' lesen, vor allem (aber nicht nur) den Abschnitt Related Pages/'''Frequently Asked Questions''' = Oft gestellte Fragen (und Antworten dazu). Z.Zt leider nur in englischer Sprache verfügbar.

* Den Artikel [[AVR-GCC]] in diesem Wiki lesen.

* Das [http://www.mikrocontroller.net/forum/gcc GCC-Forum auf www.mikrocontroller.net] nach vergleichbaren Problemen absuchen.

* Das avr-gcc-Forum bei [http://www.avrfreaks.net AVRfreaks] nach vergleichbaren Problemen absuchen.

* Das [http://lists.gnu.org/archive/html/avr-gcc-list/ Archiv der avr-gcc Mailing-Liste] nach vergleichbaren Problemen absuchen.

* Nach Beispielcode suchen. Vor allem im ''Projects''-Bereich von [http://www.avrfreaks.net AVRfreaks] (anmelden).

* Google oder yahoo befragen schadet nie.

* Bei Problemen mit der Ansteuerung interner AVR-Funktionen mit C-Code: das Datenblatt des Controllers lesen (ganz und am Besten zweimal). Datenblätter sind auf den [http://www.atmel.com Atmel Webseiten] als pdf-Dateien verfügbar. Das komplette Datenblatt (complete) und nicht die Kurzfassung (summary) verwenden.

* Die Beispielprogramme im [[AVR-Tutorial]] sind zwar in AVR-Assembler verfasst, Erläuterungen und Vorgehensweisen sind aber auch auf C-Programme übertragbar.

* Einen Beitrag in eines der Foren oder eine Mail an die Mailing-Liste schreiben. Dabei möglichst viel Information geben: Controller, Compilerversion, genutzte Bibliotheken, Ausschnitte aus dem Quellcode oder besser ein [http://www.mikrocontroller.net/topic/72767#598986 Testprojekt] mit allen notwendigen Dateien, um das Problem nachzuvollziehen, sowie genaue Fehlermeldungen bzw. Beschreibung des Fehlverhaltens. Bei Ansteuerung externer Geräte die Beschaltung beschreiben oder skizzieren (z. B. mit [http://www.tech-chat.de/ Andys ASCII Circuit]). Siehe dazu auch: '''[http://www.tty1.net/smart-questions_de.html "Wie man Fragen richtig stellt"]'''.

= Erzeugen von Maschinencode =

Aus dem C-Quellcode erzeugt der avr-gcc Compiler (zusammen mit Hilfsprogrammen wie z. B. Präprozessor, Assembler und Linker) Maschinencode für den AVR-Controller. Üblicherweise liegt dieser Code dann im Intel Hex-Format vor ("Hex-Datei"). Die Programmiersoftware (z. B. [[AVRDUDE]], PonyProg oder AVRStudio/STK500-plugin) liest diese Datei ein und überträgt die enthaltene Information (den Maschinencode) in den Speicher des Controllers. Im Prinzip sind also "nur" der avr-gcc-Compiler (und wenige Hilfsprogramme) mit den "richtigen" Optionen aufzurufen, um aus C-Code eine "Hex-Datei" zu erzeugen. Grundsätzlich stehen dazu zwei verschiedene Ansätze zur Verfügung:

* Die Verwendung einer integrierten Entwicklungsumgebung (IDE = '''I'''ntegrated '''D'''evelopment '''E'''nvironment), bei der alle Einstellungen z. B. in Dialogboxen durchgeführt werden können. Unter Anderem kann AVRStudio ab Version 4.12 (kostenlos auf [http://www.atmel.com/ atmel.com]) zusammen mit WinAVR als integrierte Entwicklungsumgebung für den Compiler avr-gcc genutzt werden (dazu müssen AVRStudio und WinAVR auf dem Rechner installiert sein). Weitere IDEs (ohne Anspruch auf Vollständigkeit): [http://www.eclipse.org/ Eclipse for C/C++ Developers] (d.h. inkl. CDT) und das [http://avr-eclipse.sourceforge.net/wiki/index.php/The_AVR_Eclipse_Plugin AVR-Eclipse Plugin] (für diverse Plattformen, u.a. Linux und MS Windows, IDE und Plugin kostenlos), [http://sourceforge.net/projects/kontrollerlab KontrollerLab] (Linux/KDE, kostenlos). [http://www.atmanecl.com/EnglishSite/SoftwareEnglish.htm AtmanAvr] (MS Windows, relativ günstig), KamAVR (MS-Windows, kostenlos, wird augenscheinlich nicht mehr weiterentwickelt), [http://www.amctools.com/vmlab.htm VMLab] (MS Windows, ab Version 3.12 ebenfalls kostenlos). Integrierte Entwicklungsumgebungen unterscheiden sich stark in Ihrer Bedienung und stehen auch nicht für alle Plattformen zur Verfügung, auf denen der Compiler ausführbar ist (z. B. AVRStudio nur für MS-Windows). Zur Anwendung des avr-gcc Compilers mit IDEs sei hier auf deren Dokumentation verwiesen.

* Die Nutzung des Programms make mit passenden Makefiles. In den folgenden Abschnitten wird die Generierung von Maschinencode für einen AVR ("hex-Datei") aus C-Quellcode ("c-Dateien") anhand von "make" und den "Makefiles" näher erläutert. Viele der darin beschriebenen Optionen findet man auch im Konfigurationsdialog des avr-gcc-Plugins von AVRStudio (AVRStudio generiert ein makefile in einem Unterverzeichnis des Projektverzeichnisses).

Beim Wechsel vom makefile-Ansatz nach WinAVR-Vorlage zu AVRStudio ist darauf zu achten, dass AVRStudio (Stand: AVRStudio Version 4.13) bei einem neuen Projekt die Optimierungsoption (vgl. Artikel [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs_Makefiles|AVR-GCC-Tutorial/Exkurs: Makefiles]], typisch: -Os) nicht einstellt und die mathematische Bibliothek der avr-libc (libm.a, Linker-Option -lm) nicht einbindet. (Hinweis: Bei Version 4.16 wird beides bereits gesetzt). Beides ist Standard bei Verwendung von makefiles nach WinAVR-Vorlage und sollte daher auch im Konfigurationsdialog des avr-gcc-Plugins von AVRStudio "manuell" eingestellt werden, um auch mit AVRStudio kompakten Code zu erzeugen.

= Einführungsbeispiel =

Zum Einstieg ein kleines Beispiel, an dem die Nutzung des Compilers und der Hilfsprogramme (der sogenannten ''Toolchain'') demonstriert wird. Detaillierte Erläuterungen folgen in den weiteren Abschnitten dieses Tutorials.

Das Programm soll auf einem AVR Mikrocontroller einige Ausgänge ein- und andere ausschalten. Das Beispiel ist für einen ATmega16 programmiert ([http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2466.pdf Datenblatt]), kann aber sinngemäß für andere Controller der AVR-Familie modifiziert werden.

Ein kurzes Wort zur Hardware: Bei diesem Programm werden alle Pins von PORTB auf Ausgang gesetzt, und einige davon werden auf HIGH andere auf LOW gesetzt. Das kann je nach angeschlossener Hardware an diesen Pins kritisch sein. Am ungefährlichsten ist es, wenn nichts an den Pins angeschlossen ist und man die Funktion des Programmes durch eine Spannungsmessung mit einem Multimeter kontrolliert. Die Spannung wird dabei zwischen GND-Pin und den einzelnen Pins von PORTB gemessen.

Zunächst der Quellcode der Anwendung, der in einer Text-Datei mit dem Namen ''main.c'' abgespeichert wird.

<c>
/* Alle Zeichen zwischen Schrägstrich-Stern
und Stern-Schrägstrich sind Kommentare */

// Zeilenkommentare sind ebenfalls möglich
// alle auf die beiden Schrägstriche folgenden
// Zeichen einer Zeile sind Kommentar

#include <avr/io.h> // (1)

int main (void) { // (2)

DDRB = 0xFF; // (3)
PORTB = 0x03; // (4)

while(1) { // (5)
/* "leere" Schleife*/ // (6)
} // (7)

/* wird nie erreicht */
return 0; // (8)
}
</c>

# In dieser Zeile wird eine sogenannte Header-Datei eingebunden. In <code>avr/io.h</code> sind die Registernamen definiert, die im späteren Verlauf genutzt werden. Auch unter Windows wird ein <code>/</code> zur Kennzeichnung von Unterverzeichnissen in Include-Dateinamen verwendet und kein <code>\</code>.
# Hier beginnt das eigentliche Programm. Jedes C-Programm beginnt mit den Anweisungen in der Funktion <code>main</code>.
# Die Anschlüsse eines AVR ("Beinchen") werden zu Blöcken zusammengefasst, einen solchen Block bezeichnet man als Port. Beim ATmega16 hat jeder Port 8 Anschlüsse, bei kleineren AVRs können einem Port auch weniger als 8 Anschlüsse zugeordnet sein. Da per Definition (Datenblatt) alle gesetzten Bits in einem Datenrichtungsregister den entsprechenden Anschluss auf Ausgang schalten, werden mit DDRB=0xff alle Anschlüsse des Ports B als Ausgänge eingestellt.
# stellt die Werte der Ausgänge ein. Die den ersten beiden Bits des Ports zugeordneten Anschlüsse (PB0 und PB1) werden 1, alle anderen Anschlüsse des Ports B (PB2-PB7) zu 0. Aktivierte Ausgänge (logisch 1 oder "high") liegen auf Betriebsspannung (VCC, meist 5 Volt), nicht aktivierte Ausgänge führen 0 Volt (GND, Bezugspotential). Es ist sinnvoll, sich möglichst frühzeitig eine alternative Schreibweise beizubringen, die wegen der leichteren Überprüfbarkeit und Portierbarkeit oft im weiteren Tutorial und in Forenbeiträgen benutzt wird. Die Zuordnung sieht in diesem Fall so aus, Näheres dazu im Artikel [[Bitmanipulation]]:<c>PORTB = (1<<PB1) | (1<<PB0);</c>
# ist der Beginn der sogenannte ''Hauptschleife'' (main-loop). Dies ist eine Endlosschleife, welche kontinuierlich wiederkehrende Befehle enthält.
# In diesem Beispiel ist die Hauptschleife leer. Der Controller durchläuft die Schleife immer wieder, ohne dass etwas passiert. Eine solche Schleife ist notwendig, da es auf dem Controller kein Betriebssystem gibt, das nach Beendigung des Programmes die Kontrolle übernehmen könnte. Ohne diese Schleife kehrt das Programm aus <code>main</code> zurück, alle Interrupts werden deaktiviert und eine Endlosschleife betreten.
# Ende der Hauptschleife und Sprung zur passenden, öffnenden Klammer, also zu 5.
# ist das Programmende. Die Zeile ist nur aus Gründen der C-Kompatibilität enthalten: <c>int main(void)</c> besagt, dass die Funktion einen int-Wert zurückgibt. Die Anweisung wird aber nicht erreicht, da das Programm die Hauptschleife nie verlässt.

Um diesen Quellcode in ein lauffähiges Programm zu übersetzen, wird hier ein Makefile genutzt. Das verwendete Makefile findet sich auf der Seite [[Beispiel Makefile]] und basiert auf der Vorlage, die in WinAVR mitgeliefert wird und wurde bereits angepasst (Controllertyp ATmega16). Man kann das Makefile bearbeiten und an andere Controller anpassen oder sich mit dem Programm MFile menügesteuert ein Makefile "zusammenklicken". Das Makefile speichert man unter dem Namen <code>Makefile</code> (ohne Endung) im selben Verzeichnis, in dem auch die Datei <code>main.c</code> mit dem Programmcode abgelegt ist. Detailliertere Erklärungen zur Funktion von Makefiles finden sich im Artikel [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs_Makefiles|Exkurs: Makefiles]].

<pre>
D:\beispiel>dir

Verzeichnis von D:\beispiel

28.11.2006 22:53 <DIR> .
28.11.2006 22:53 <DIR> ..
28.11.2006 20:06 118 main.c
28.11.2006 20:03 16.810 Makefile
2 Datei(en) 16.928 Bytes
</pre>

Nun gibt man ''make all'' ein. Falls das mit WinAVR installierte Programmers Notepad genutzt wird, gibt es dazu einen Menüpunkt im Tools Menü. Sind alle Einstellungen korrekt, entsteht eine Datei <code>main.hex</code>, in welcher der Code für den AVR enthalten ist.
<pre>
D:\beispiel>make all

-------- begin --------
avr-gcc (GCC) 3.4.6
Copyright (C) 2006 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions. There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

Compiling C: main.c
avr-gcc -c -mmcu=atmega16 -I. -gdwarf-2 -DF_CPU=1000000UL -Os -funsigned-char -f
unsigned-bitfields -fpack-struct -fshort-enums -Wall -Wstrict-prototypes -Wundef
-Wa,-adhlns=obj/main.lst -std=gnu99 -Wundef -MD -MP -MF .dep/main.o.d main.c -
o obj/main.o

Linking: main.elf
avr-gcc -mmcu=atmega16 -I. -gdwarf-2 -DF_CPU=1000000UL -Os -funsigned-char -funs
igned-bitfields -fpack-struct -fshort-enums -Wall -Wstrict-prototypes -Wundef -W
a,-adhlns=obj/main.o -std=gnu99 -Wundef -MD -MP -MF .dep/main.elf.d obj/main.o
--output main.elf -Wl,-Map=main.map,--cref -lm

Creating load file for Flash: main.hex
avr-objcopy -O ihex -R .eeprom main.elf main.hex
</pre>

Der Inhalt der hex-Datei kann nun zum Controller übertragen werden. Dies kann z. B. über In-System-Programming ([[ISP]]) erfolgen, das im [[AVR-Tutorial: Equipment]] beschrieben ist. Makefiles nach der WinAVR/MFile-Vorlage sind für die Nutzung des Programms [[AVRDUDE]] vorbereitet. Wenn man den Typ und Anschluss des Programmiergerätes richtig eingestellt hat, kann mit ''make program'' die Übertragung mittels AVRDUDE gestartet werden. Jede andere Software, die hex-Dateien lesen und zu einem AVR übertragen kann<ref>z. B. [[Pony-Prog_Tutorial|Ponyprog]], yapp, AVRStudio</ref>, kann natürlich ebenfalls genutzt werden.

Startet man nun den Controller (Reset-Taster oder Stromzufuhr aus/an), werden vom Programm die Anschlüsse PB0 und PB1 auf 1 gesetzt. Man kann mit einem Messgerät nun an diesem Anschluss die Betriebsspannung messen oder eine [[LED]] leuchten lassen (Anode an den Pin, Vorwiderstand nicht vergessen). An den Anschlüssen PB2-PB7 misst man 0 Volt. Eine mit der Anode mit einem dieser Anschlüsse verbundene LED leuchtet nicht.

= Ganzzahlige (Integer) Datentypen =

Bei der Programmierung von Mikrokontrollern ist die Definition einiger ganzzahliger Datentypen sinnvoll, an denen eindeutig die Bit-Länge abgelesen werden kann.

Standardisierte Datentypen werden in der Header-Datei <code>stdint.h</code> definiert, die folgendermaßen eingebunden werden kann:
<c>#include <stdint.h></c>

{| {{Tabelle}}
|+ '''int-Typen aus <code>stdint.h</code> (C99)'''  
|- bgcolor="#d0d0ff"
!colspan="5"| Vorzeichenbehaftete int-Typen
|- bgcolor="#e8e8ff"
! Typname || Bit-Breite ||colspan="2"| Wertebereich
|align="center| '''C-Entsprechung''' (avr-gcc)
|-
|<code>int8_t</code> ||align="right"| 8 || −128 ⋯ 127 || −27 ⋯ 27−1 || <code>signed char</code>
|-
|<code>int16_t</code> ||align="right"| 16 || −32768 ⋯ 32767 || −215 ⋯ 215−1 || <code>signed short</code>, <code>signed int</code>
|-
|<code>int32_t</code> ||align="right"| 32 || −2147483648 ⋯ 2147483647 || −231 ⋯ 231−1 || <code>signed long</code>
|-
|<code>int64_t</code> ||align="right"| 64 || −9223372036854775808 ⋯ 9223372036854775807 || −263 ⋯ 263−1 || <code>signed long long</code>
|- bgcolor="#d0d0ff"
!colspan="5"| Vorzeichenlose int-Typen
|- bgcolor="#e8e8ff"
! Typname || Bit-Breite ||colspan="2"| Wertebereich
|align="center| '''C-Entsprechung''' (avr-gcc)
|-
|<code>uint8_t</code> ||align="right"| 8 || 0 ⋯ 255 || 0 ⋯ 28−1 || <code>unsigned char</code>
|-
|<code>uint16_t</code> ||align="right"| 16 || 0 ⋯ 65535 || 0 ⋯ 216−1 || <code>unsigned short</code>, <code>unsigned int</code>
|-
|<code>uint32_t</code> ||align="right"| 32 || 0 ⋯ 4294967295 || 0 ⋯ 232−1 || <code>unsigned long</code>
|-
|<code>uint64_t</code> ||align="right"| 64 || 0 ⋯ 18446744073709551615 || 0 ⋯ 264−1 || <code>unsigned long long</code>
|}

Neben den Typen gibt es auch Makros für die Bereichsgrenzen wie <code>INT8_MIN</code> oder <code>UINT16_MAX</code>. Siehe dazu auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__avr__stdint.html Dokumentation der avr-libc: Standard Integer Types].

= Bitfelder =

Beim Programmieren von Mikrocontrollern muss auf jedes Byte oder sogar auf
jedes Bit geachtet werden. Oft müssen wir in einer Variablen lediglich den
Zustand 0 oder 1 speichern. Wenn wir nun zur Speicherung eines einzelnen Wertes
den kleinsten bekannten Datentypen, nämlich '''unsigned char''', nehmen, dann
verschwenden wir 7 Bits, da ein '''unsigned char''' ja 8 Bits breit ist.

Hier bietet uns die Programmiersprache C ein mächtiges Werkzeug an, mit dessen
Hilfe wir 8 Bits in eine einzelne Bytevariable zusammenfassen und (fast) wie
8 einzelne Variablen ansprechen können. Die Rede ist von sogenannten Bitfeldern. Diese werden als Strukturelemente definiert. Sehen wir uns dazu doch am besten gleich ein Beispiel an:

<c>
struct {
unsigned bStatus_1:1; // 1 Bit für bStatus_1
unsigned bStatus_2:1; // 1 Bit für bStatus_2
unsigned bNochNBit:1; // Und hier noch mal ein Bit
unsigned b2Bits:2; // Dieses Feld ist 2 Bits breit
// All das hat in einer einzigen Byte-Variable Platz.
// die 3 verbleibenden Bits bleiben ungenutzt
} x;
</c>

Der Zugriff auf ein solches Feld erfolgt nun, wie beim Strukturzugriff bekannt,
über den Punkt- oder den Dereferenzierungs-Operator:

<c>
x.bStatus_1 = 1;
x.bStatus_2 = 0;
x.b2Bits = 3;
</c>

Bitfelder sparen Platz im RAM, zu Lasten von Platz im Flash, verschlechtern aber unter Umständen die Les- und Wartbarkeit des Codes. Anfängern wird deshalb geraten, ein "ganzes" Byte (uint8_t) zu nutzen, auch wenn nur ein Bitwert gespeichert werden soll.

= Grundsätzlicher Programmaufbau eines µC-Programms =

Wir unterscheiden zwischen 2 verschiedenen Methoden, um ein
Mikrocontroller-Programm zu schreiben, und zwar völlig unabhängig davon, in
welcher Programmiersprache das Programm geschrieben wird.

== Sequentieller Programmablauf ==

[[Image:Sequentielle Programme.gif|left]]
Bei dieser Programmiertechnik wird eine Endlosschleife programmiert, welche im
Wesentlichen immer den gleichen Aufbau hat. Es wird hier nach dem sogenannten EVA-Prinzip gehandelt. EVA steht für "Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe":
{{Absatz}}

== Interruptgesteuerter Programmablauf ==

[[Image:Interrupt Programme.gif|left]]
Bei dieser Methode werden beim Programmstart zuerst die gewünschten Interruptquellen aktiviert und dann in eine Endlosschleife gegangen, in welcher Dinge erledigt werden können, welche nicht zeitkritisch sind. Wenn ein Interrupt ausgelöst wird, so wird automatisch die zugeordnete Interruptfunktion ausgeführt.
{{Absatz}}

= Zugriff auf Register =

Die AVR-Controller verfügen über eine Vielzahl von Registern. Die meisten
davon sind sogenannte Schreib-/Leseregister. Das heißt, das Programm kann die
Inhalte der Register sowohl auslesen als auch beschreiben.

Register haben einen besonderen Stellenwert bei den AVR Controllern. Sie dienen dem Zugriff auf die Ports und die Schnittstellen des Controllers. Wir unterscheiden zwischen 8-Bit und 16-Bit Registern. Vorerst behandeln wir die 8-Bit Register.

Einzelne Register sind bei allen AVRs vorhanden, andere wiederum nur bei bestimmten Typen. So sind beispielsweise die Register, welche für den Zugriff auf den UART notwendig sind, selbstverständlich nur bei denjenigen Modellen vorhanden, welche über einen integrierten Hardware UART bzw. USART verfügen.

Die Namen der Register sind in den Headerdateien zu den entsprechenden AVR-Typen definiert. Dazu muss man den Namen der controllerspezifischen Headerdatei nicht kennen. Es reicht aus, die allgemeine Headerdatei ''avr/io.h'' einzubinden:

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

Ist im Makefile der MCU-Typ z. B. mit dem Inhalt atmega8 definiert (und wird somit per -mmcu=atmega8 an den Compiler übergeben), wird beim Einlesen der io.h-Datei implizit ("automatisch") auch die iom8.h-Datei mit den Register-Definitionen für den ATmega8 eingelesen.


Intern wird diese "Automatik" wie folgt realisiert: Der Controllertyp wird dem Compiler als Parameter übergeben (vgl. ''avr-gcc -c -mmcu=atmega16 [...]'' im Einführungsbeispiel). Wird ein Makefile nach der WinAVR/mfile-Vorlage verwendet, setzt man die Variable ''MCU'', der Inhalt dieser Variable wird dann an passender Stelle für die Compilerparameter verwendet. Der Compiler definiert intern eine dem mmcu-Parameter zugeordnete "Variable" (genauer: ein Makro) mit dem Namen des Controllers, vorangestelltem ''__AVR_'' und angehängten Unterstrichen (z. B. wird bei ''-mmcu=atmega16'' das Makro ''__AVR_ATmega16__'' definiert). Beim Einbinden der Header-Datei ''avr/io.h'' wird geprüft, ob das jeweilige Makro definiert ist und die zum Controller passende Definitionsdatei eingelesen. Zur Veranschaulichung einige Ausschnitte aus einem Makefile:

<pre>
[...]
# MCU Type ("name") setzen:
MCU = atmega16
[...]

[...]
## Verwendung des Inhalts von MCU (hier atmega16) fuer die
## Compiler- und Assembler-Parameter
ALL_CFLAGS = -mmcu=$(MCU) -I. $(CFLAGS) $(GENDEPFLAGS)
ALL_CPPFLAGS = -mmcu=$(MCU) -I. -x c++ $(CPPFLAGS) $(GENDEPFLAGS)
ALL_ASFLAGS = -mmcu=$(MCU) -I. -x assembler-with-cpp $(ASFLAGS)
[...]

[...]
## Aufruf des Compilers:
## mit den Parametern ($(ALL_CFLAGS) ist -mmcu=$(MCU)[...] = -mmcu=atmega16[...]
$(OBJDIR)/%.o : %.c
@echo
@echo $(MSG_COMPILING) $<
$(CC) -c $(ALL_CFLAGS) $< -o $@
[...]
</pre>

Da --mmcu=atmega16 übergeben wurde, wird __AVR_ATmega16__ definiert und kann in avr/io.h zur Fallunterscheidung genutzt werden:

<c>
// avr/io.h
// (bei WinAVR-Standardinstallation in C:\WinAVR\avr\include\avr)
[...]
#if defined (__AVR_AT94K__)
# include <avr/ioat94k.h>
// [...]
#elif defined (__AVR_ATmega16__)
// da __AVR_ATmega16__ definiert ist, wird avr/iom16.h eingebunden:
# include <avr/iom16.h>
// [...]
#else
# if !defined(__COMPILING_AVR_LIBC__)
# warning "device type not defined"
# endif
#endif
</c>

Die Beispiele in den folgenden Abschnitten demonstrieren den Zugriff auf Register anhand der Register für I/O-Ports (PORTx, DDRx, PINx), die Vorgehensweise ist jedoch für alle Register (z. B. die des UART, ADC, SPI) analog.

== Schreiben in Register ==

Zum Schreiben kann man Register einfach wie eine Variable setzen.<ref>In Quellcodes, die für ältere Versionen des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, erfolgt der Schreibzugriff über die Funktion outp(). Aktuelle Versionen des Compilers unterstützen den Zugriff nun direkt, outp() ist nicht mehr erforderlich.</ref>

Beispiel:

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

int main()
{
/* Setzt das Richtungsregister des Ports A auf 0xff
(alle Pins als Ausgang, vgl. Abschnitt Zugriff auf Ports): */
DDRA = 0xff;

/* Setzt PortA auf 0x03, Bit 0 und 1 "high", restliche "low": */
PORTA = 0x03;

// Setzen der Bits 0,1,2,3 und 4
// Binär 00011111 = Hexadezimal 1F
DDRB = 0x1F; /* direkte Zuweisung - unübersichtlich */

/* Ausführliche Schreibweise: identische Funktionalität, mehr Tipparbeit
aber übersichtlicher und selbsterklärend: */
DDRB = (1 << DDB0) | (1 << DDB1) | (1 << DDB2) | (1 << DDB3) | (1 << DDB4);

while (1);
}
</c>

Die ausführliche Schreibweise sollte bevorzugt verwendet werden, da dadurch die Zuweisungen selbsterklärend sind und somit der Code leichter nachvollzogen werden kann. Atmel verwendet sie auch bei Beispielen in Datenblätten und in den allermeisten Quellcodes zu Application-Notes. Mehr zu der Schreibweise mit "|" und "<<" findet man unter [[Bitmanipulation]].

Der gcc C-Compiler unterstützt ab Version 4.3.0 Konstanten im Binärformat, z. B. DDRB = 0b00011111. Diese Schreibweise ist jedoch nur in GNU-C verfügbar und nicht in ISO-C definiert. Man sollte sie daher nicht verwenden, wenn Code mit anderen ausgetauscht oder mit anderen Compilern bzw. älteren Versionen des gcc genutzt werden soll.

== Verändern von Registerinhalten ==

Einzelne Bits setzt und löscht man "Standard-C-konform" mittels logischer (Bit-) Operationen.

<c>
x |= (1 << Bitnummer); // Hiermit wird ein Bit in x gesetzt
x &= ~(1 << Bitnummer); // Hiermit wird ein Bit in x geloescht
</c>

Es wird jeweils nur der Zustand des angegebenen Bits geändert, der vorherige Zustand der anderen Bits bleibt erhalten.

Beispiel:
<c>
#include <avr/io.h>
...
#define MEINBIT 2
...
PORTA |= (1 << MEINBIT); /* setzt Bit 2 an PortA auf 1 */
PORTA &= ~(1 << MEINBIT); /* loescht Bit 2 an PortA */
</c>

Mit dieser Methode lassen sich auch mehrere Bits eines Registers gleichzeitig setzen und löschen.

Beispiel:
<c>
#include <avr/io.h>
...
DDRA &= ~( (1<<PA0) | (1<<PA3) ); /* PA0 und PA3 als Eingaenge */
PORTA |= (1<<PA0) | (1<<PA3); /* Interne Pull-Up fuer beide einschalten */
</c>

In Quellcodes, die für ältere Version den des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, werden einzelne Bits mittels der Funktionen sbi und cbi gesetzt bzw. gelöscht. Beide Funktionen sind nicht mehr erforderlich.

Siehe auch:
* [[Bitmanipulation]]
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Special Function Registers

== Lesen aus Registern ==

Zum Lesen kann man auf Register einfach wie auf eine Variable zugreifen. In Quellcodes, die für ältere Versionen des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, erfolgt der Lesezugriff über die Funktion inp(). Aktuelle Versionen des Compilers unterstützen den Zugriff nun direkt und inp() ist nicht mehr erforderlich.

Beispiel:

<c>
#include <avr/io.h>
#include <stdint.h>

uint8_t foo;

//...

int main(void)
{
/* kopiert den Status der Eingabepins an PortB
in die Variable foo: */
foo = PINB;
//...
}
</c>

Die Abfrage der Zustände von Bits erfolgt durch Einlesen des gesamten Registerinhalts und ausblenden der Bits deren Zustand nicht von Interesse ist. Einige Beispiele zum Prüfen ob Bits gesetzt oder gelöscht sind:

<c>
#define MEINBIT0 0
#define MEINBIT2 2

uint8_t i;

extern test1();

// Funkion test1 aufrufen, wenn Bit 0 in Register PINA gesetzt (1) ist
i = PINA; // Inhalt in Arbeitsvariable
i = i & 0x01; // alle Bits bis auf Bit 0 ausblenden (logisches und)
// falls das Bit gesetzt war, hat i den Inhalt 1
if ( i != 0 ) { // Ergebnis ungleich 0 (wahr)?
test1(); // dann muss Bit 0 in i gesetzt sein -> Funktion aufrufen
}
// verkürzt:
if ( ( PINA & 0x01 ) != 0 ) {
test1();
}
// nochmals verkürzt:
if ( PINA & 0x01 ) {
test1();
}
// mit definierter Bitnummer:
if ( PINA & ( 1 << MEINBIT0 ) ) {
test1();
}

// Funktion aufrufen, wenn Bit 0 und/oder Bit 2 gesetzt ist. (Bit 0 und 2 also Wert 5)
// (Bedenke: Bit 0 hat Wert 1, Bit 1 hat Wert 2 und Bit 2 hat Wert 4)
if ( PINA & 0x05 ) {
test1(); // Vergleich <> 0 (wahr), also mindestens eines der Bits gesetzt
}
// mit definierten Bitnummern:
if ( PINA & ( ( 1 << MEINBIT0 ) | ( 1 << MEINBIT2 ) ) ) {
test1();
}

// Funktion aufrufen, wenn Bit 0 und Bit 2 gesetzt sind
if ( ( PINA & 0x05 ) == 0x05 ) { // nur wahr, wenn beide Bits gesetzt
test1();
}

// Funktion test2() aufrufen, wenn Bit 0 gelöscht (0) ist
i = PINA; // einlesen in temporäre Variable
i = i & 0x01; // maskieren von Bit 0
if ( i == 0 ) { // Vergleich ist wahr, wenn Bit 0 nicht gesetzt ist
test2();
}
// analog mit not-Operator
if ( !i ) {
test2();
}
// nochmals verkürzt:
if ( !( PINA & 0x01 ) ) {
test2();
}
</c>

== Warten auf einen bestimmten Zustand ==

Es gibt in der Bibliothek avr-libc Funktionen, die warten, bis ein bestimmter Zustand eines Bits erreicht ist. Es ist allerdings normalerweise eine eher unschöne Programmiertechnik, da in diesen Funktionen "blockierend" gewartet wird. Der Programmablauf bleibt also an dieser Stelle stehen, bis das maskierte Ereignis erfolgt ist. Setzt man den [[Watchdog]] ein, muss man darauf achten, dass dieser auch noch getriggert wird (Zurücksetzen des Watchdogtimers).

Die Funktion '''loop_until_bit_is_set''' wartet in einer Schleife, bis das definierte Bit gesetzt ist. Wenn das Bit beim Aufruf der Funktion bereits gesetzt ist, wird die Funktion sofort wieder verlassen. Das niederwertigste Bit hat die Bitnummer 0.

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

/* Warten bis Bit Nr. 2 (das dritte Bit) in Register PINA gesetzt (1) ist */

#define WARTEPIN PINA
#define WARTEBIT PA2

// mit der avr-libc Funktion:
loop_until_bit_is_set(WARTEPIN, WARTEBIT);

// dito in "C-Standard":
// Durchlaufe die (leere) Schleife solange das WARTEBIT in Register WARTEPIN
// _nicht_ ungleich 0 (also 0) ist.
while ( !(WARTEPIN & (1 << WARTEBIT)) ) {}
...
</c>

Die Funktion '''loop_until_bit_is_clear''' wartet in einer Schleife, bis das definierte Bit gelöscht ist. Wenn das Bit beim Aufruf der Funktion bereits gelöscht ist, wird die Funktion sofort wieder verlassen.

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

/* Warten bis Bit Nr. 4 (das fuenfte Bit) in Register PINB geloescht (0) ist */
#define WARTEPIN PINB
#define WARTEBIT PB4

// avr-libc-Funktion:
loop_until_bit_is_clear(WARTEPIN, WARTEBIT);

// dito in "C-Standard":
// Durchlaufe die (leere) Schleife solange das WARTEBIT in Register WARTEPIN
// gesetzt (1) ist
while ( WARTEPIN & (1<<WARTEBIT) ) {}
...
</c>

Universeller und auch auf andere Plattformen besser übertragbar ist die Verwendung von C-Standardoperationen.

Siehe auch:
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Special Function Registers
* [[Bitmanipulation]]

== 16-Bit Register (ADC, ICR1, OCR1x, TCNT1, UBRR) ==

Einige der Portregister in den AVR-Controllern sind 16 Bit breit. Im Datenblatt sind diese Register üblicherweise mit dem Suffix "L" (Low-Byte) und "H" (High-Byte) versehen. Die avr-libc definiert zusätzlich die meisten dieser Variablen die Bezeichnung ohne "L" oder "H". Auf diese Register kann dann direkt zugegriffen werden. Die ist zum Beispiel der Fall für Register wie ADC oder TCNT1.
<c>
#include <avr/io.h>
...
uint16_t foo;

/* setzt die Wort-Variable foo auf den Wert der letzten AD-Wandlung */
foo = ADC;
</c>

Bei anderen Registern, wie zum Beispiel Baudraten-Register, liegen High- und Low-Teil nicht direkt nebeneinander im SFR-Bereich, so dass ein 16-Bit Zugriff nicht möglich ist und der Zugriff zusammengebastelt werden muss:

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

#ifndef F_CPU
#define F_CPU 3686400
#endif
#define UART_BAUD_RATE 9600

...
uint16_t baud = F_CPU / (UART_BAUD_RATE * 16L) -1;

UBRRH = (uint8_t) (baud >> 8);
UBRRL = (uint8_t) baud;
...
</c>

Bei einigen AVR-Typen wie ATmega8 oder ATmega16 teilen sich UBRRH und UCSRC die gleiche Speicher-Adresse. Damit der AVR trotzdem zwischen den beiden Registern unterscheiden kann, bestimmt das Bit7 (URSEL), welches Register tatsächlich beschrieben werden soll. ''1000 0011'' (0x83) adressiert demnach UCSRC und übergibt den Wert ''3'' und ''0000 0011'' (0x3) adressiert UBRRH und übergibt ebenfalls den Wert ''3''.

Speziell bei den 16-Bit-Timern und auch beim ADC ist es bei allen Zugriffen auf Datenregister erforderlich, dass diese Daten synchronisiert sind. Wenn z. B. bei einem 16-Bit-Timer das High-Byte des Zählregisters gelesen wurde und vor dem Lesezugriff auf das Low-Byte ein Überlauf des Low-Bytes stattfindet, erhält man einen völlig unsinnigen Wert. Auch die Compare-Register müssen synchron geschrieben werden, da es ansonsten zu unerwünschten Compare-Ereignissen kommen kann.

Beim ADC besteht das Problem darin, dass zwischen den Zugriffen auf die beiden Teilregister eine Wandlung beendet werden kann und der ADC ein neues Ergebnis in ADCL und ADCH schreiben will, wodurch High- und Low-Byte nicht zusammenpassen.

Um diese Datenmüllproduktion zu verhindern, gibt es in beiden Fällen eine Synchronisation, die jeweils durch den Zugriff auf das Low-Byte ausgelöst wird:
* Bei den Timer-Registern (das gilt für alle TCNT-, OCR- und ICR-Register bei den 16-Bit-Timern) wird bei einem ''Lesezugriff'' auf das Low-Byte automatisch das High-Byte in ein temporäres Register, das ansonsten nach außen nicht sichtbar ist, geschoben. Greift man nun ''anschließend'' auf das High-Byte zu, dann wird eben dieses temporäre Register gelesen.
* Bei einem ''Schreibzugriff'' auf eines der genannten Register wird das High-Byte in besagtem temporären Register zwischengespeichert und erst beim Schreiben des Low-Bytes werden ''beide'' gleichzeitig in das eigentliche Register übernommen.

Das bedeutet für die Reihenfolge:
* Lesezugriff: Erst Low-Byte, dann High-Byte
* Schreibzugriff: Erst High-Byte, dann Low-Byte

Des weiteren ist zu beachten, dass es für all diese 16-Bit-Register nur ein einziges temporäres Register gibt, so dass das Auftreten eines Interrupts, in dessen Handler ein solches Register manipuliert wird, bei einem durch ihn unterbrochenen Zugriff i.d.R. zu Datenmüll führt. 16-Bit-Zugriffe sind generell nicht atomar! Wenn mit Interrupts gearbeitet wird, kann es erforderlich sein, vor einem solchen Zugriff auf ein 16-Bit-Register die Interrupt-Bearbeitung zu deaktivieren.

Beim ADC-Datenregister ADCH/ADCL ist die Synchronisierung anders gelöst. Hier wird beim Lesezugriff (ADCH/ADCL sind logischerweise read-only) auf das Low-Byte ADCL beide Teilregister für Zugriffe seitens des ADC so lange gesperrt, bis das High-Byte ADCH ausgelesen wurde. Dadurch kann der ADC nach einem Zugriff auf ADCL keinen neuen Wert in ADCH/ADCL ablegen, bis ADCH gelesen wurde. Ergebnisse von Wandlungen, die zwischen einem Zugriff auf ADCL und ADCH beendet werden, gehen verloren!

Nach einem Zugriff auf ADCL muss grundsätzlich ADCH gelesen werden!

In beiden Fällen – also sowohl bei den Timern als auch beim ADC – werden vom C-Compiler 16-Bit Pseudo-Register zur Verfügung gestellt (z. B. TCNT1H/TCNT1L → TCNT1, ADCH/ADCL → ADC bzw. ADCW), bei deren Verwendung der Compiler automatisch die richtige Zugriffsreihenfolge regelt. In C-Programmen sollten grundsätzlich diese 16-Bit-Register verwendet werden! Sollte trotzdem ein Zugriff auf ein Teilregister erforderlich sein, sind obige Angaben zu berücksichtigen.

Es ist darauf zu achten, dass auch ein Zugriff auf die 16-Bit-Register vom Compiler in zwei 8-Bit-Zugriffe aufgeteilt wird und dementsprechend genauso nicht-atomar ist wie die Einzelzugriffe. Auch hier gilt, dass u.U. die Interrupt-Bearbeitung gesperrt werden muss, um Datenmüll zu vermeiden.

Beim ADC gibt es für den Fall, dass eine Auflösung von 8 Bit ausreicht, die Möglichkeit, das Ergebnis "linksbündig" in ADCH/ADCL auszurichten, so dass die relevanten 8 MSB in ADCH stehen. In diesem Fall muss bzw. sollte nur ADCH ausgelesen werden.

ADC und ADCW sind unterschiedliche Bezeichner für das selbe Registerpaar. Üblicherweise kann man in C-Programmen ADC verwenden, was analog zu den anderen 16-Bit-Registern benannt ist. ADCW (ADC Word) existiert nur deshalb, weil die Headerdateien auch für Assembler vorgesehen sind und es bereits einen Assembler-Befehl namens ''adc'' gibt.

Im Umgang mit 16-Bit Registern siehe auch:
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Related Pages/Frequently Asked Questions/Nr. 8
* Datenblatt Abschnitt ''Accessing 16-bit Registers''

== IO-Register als Parameter und Variablen ==

Um Register als Parameter für eigene Funktionen übergeben zu können, muss man sie als einen volatile uint8_t Pointer übergeben. Zum Beispiel:

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

uint8_t key_pressed (volatile uint8_t *inputreg, uint8_t inputbit)
{
static uint8_t last_state = 0;

if (last_state == (*inputreg & (1<<inputbit)))
return 0; /* keine Änderung */

/* Wenn doch, warten bis etwaiges Prellen vorbei ist: */
_delay_ms(20);

/* Zustand für nächsten Aufruf merken: */
last_state = *inputreg & (1<<inputbit);

/* und den entprellten Tastendruck zurückgeben: */
return *inputreg & (1<<inputbit);
}

/* Beispiel für einen Funktionsaufruf: */

void foo (void)
{
uint8_t i = key_pressed (&PINB, PB1);
}
</c>

Ein Aufruf der Funktion mit call by value würde Folgendes bewirken: Beim Funktionseintritt wird nur eine Kopie des momentanen Portzustandes angefertigt, die sich unabhängig vom tatsächlichen Zustand das Ports nicht mehr ändert, womit die Funktion wirkungslos wäre. Die Übergabe eines Zeigers wäre die Lösung, wenn der Compiler nicht optimieren würde. Denn dadurch wird im Programm nicht von der Hardware gelesen, sondern wieder nur von einem Abbild im Speicher. Das Ergebnis wäre das gleiche wie oben. Mit dem Schlüsselwort volatile sagt man nun dem Compiler, dass die entsprechende Variable entweder durch andere Softwareroutinen (Interrupts) oder durch die Hardware verändert werden kann.

= Zugriff auf IO-Ports =

Jeder AVR implementiert eine unterschiedliche Menge an GPIO-Registern
(GPIO - General Purpose Input/Output). Diese Register dienen dazu:
* einzustellen welche der Anschlüsse ("Beinchen") des Controllers als Ein- oder Ausgänge dienen
* bei Ausgängen deren Zustand festzulegen
* bei Eingängen deren Zustand zu erfassen

Mittels GPIO werden digitale Zustände gesetzt und erfasst, d.h. die Spannung an einem Ausgang wird ein- oder ausgeschaltet und an einem Eingang wird erfasst, ob die anliegende Spannung über oder unter einem bestimmten Schwellwert liegt. Im Datenblatt Abschnitt Electrical Characteristics/DC Characteristics finden sich die Spannungswerte (V_OL, V_OH für Ausgänge, V_IL, V_IH für Eingänge).

Die Verarbeitung von analogen Eingangswerten und die Ausgabe von Analogwerten wird in Kapitel [[AVR-GCC-Tutorial#Analoge_Ein-_und_Ausgabe|Analoge Ein- und Ausgabe]] behandelt.

Alle Ports der AVR-Controller werden über Register gesteuert. Dazu sind jedem Port 3 Register zugeordnet:

{| class="wikitable"
|-
! DDRx
| Datenrichtungsregister für Port'''x'''.
'''x''' entspricht '''A''', '''B''', ''' C''', '''D''' usw. (abhängig von der Anzahl der Ports des verwendeten AVR). Bit im Register gesetzt (1) für Ausgang, Bit gelöscht (0) für Eingang.
|-
! PINx
| Eingangsadresse für Port'''x'''.
Zustand des Ports. Die Bits in PINx entsprechen dem Zustand der als Eingang definierten Portpins. Bit 1 wenn Pin "high", Bit 0 wenn Portpin low.
|-
! PORTx
| Datenregister für Port'''x'''.
Dieses Register wird verwendet, um die Ausgänge eines Ports anzusteuern. Bei Pins, die mittels DDRx auf Eingang geschaltet wurden, können über PORTx
die internen Pull-Up Widerstände aktiviert oder deaktiviert werden (1 = aktiv).
|}

Die folgenden Beispiele gehen von einem AVR aus, der sowohl Port A als auch Port B besitzt. Sie müssen für andere AVRs (zum Beispiel ATmega8/48/88/168) entsprechend angepasst werden.

== Datenrichtung bestimmen ==

Zuerst muss die Datenrichtung der verwendeten Pins bestimmt werden. Um dies zu erreichen, wird das Datenrichtungsregister des entsprechenden Ports beschrieben.

Für jeden Pin, der als Ausgang verwendet werden soll, muss dabei das
entsprechende Bit auf dem Port gesetzt werden. Soll der Pin als Eingang
verwendet werden, muss das entsprechende Bit gelöscht sein.

Beispiel:
Angenommen am Port B sollen die Pins 0 bis 4 als Ausgänge definiert werden, die noch verbleibenden Pins 5 bis 7 sollen als Eingänge fungieren. Dazu ist es daher notwendig, im für das Port B zuständigen Datenrichtungsregister DDRB folgende Bitkonfiguration einzutragen

+---+---+---+---+---+---+---+---+
| 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
+---+---+---+---+---+---+---+---+
7 6 5 4 3 2 1 0

In C liest sich das dann so:

<c>
// in io.h wird u.a. DDRB definiert:
#include <avr/io.h>

int main()
{
// Setzen der Bits 0,1,2,3 und 4
// Binär 00011111 = Hexadezimal 1F
// direkte Zuweisung - standardkonform */
DDRB = 0x1F; /*

// übersichtliche Alternative - Binärschreibweise, aber kein ISO-C
DDRB = 0b00011111;

// Ausführliche Schreibweise: identische Funktionalität, mehr Tipparbeit
// aber übersichtlicher und selbsterklärend:
DDRB = (1 << DDB0) | (1 << DDB1) | (1 << DDB2) | (1 << DDB3) | (1 << DDB4);
</c>

Die Pins 5 bis 7 werden (da 0) als Eingänge geschaltet. Weitere Beispiele:

<c>
// Alle Pins des Ports B als Ausgang definieren:
DDRB = 0xff;
// Pin0 wieder auf Eingang und andere im ursprünglichen Zustand belassen:
DDRB &= ~(1 << DDB0);
// Pin 3 und 4 auf Eingang und andere im ursprünglichen Zustand belassen:
DDRB &= ~((1 << DDB3) | (1 << DDB4));
// Pin 0 und 3 wieder auf Ausgang und andere im ursprünglichen Zustand belassen:
DDRB |= (1 << DDB0) | (1 << DDB3);
// Alle Pins auf Eingang:
DDRB = 0x00;
</c>

== Vordefinierte Bitnummern für I/O-Register ==

Die Bitnummern (z. B. PCx, PINCx und DDCx für den Port C) sind in den io*.h-Dateien der avr-libc definiert und dienen lediglich der besseren Lesbarkeit. Man muss diese Definitionen nicht verwenden oder kann auch einfach "immer" PAx, PBx, PCx usw. nutzen, auch wenn der Zugriff auf Bits in DDRx- oder PINx-Registern erfolgt. Für den Compiler sind die Ausdrücke (1<<PC7), (1<<DDC7) und (1<<PINC7) identisch zu (1<<7) (genauer: der Präprozessor ersetzt die Ausdrücke (1<<PC7),... zu (1<<7)). Ein Ausschnitt der Definitionen für Port C eines ATmega32 aus der iom32.h-Datei zur Verdeutlichung (analog für die weiteren Ports):

<c>
...
/* PORTC */
#define PC7 7
#define PC6 6
#define PC5 5
#define PC4 4
#define PC3 3
#define PC2 2
#define PC1 1
#define PC0 0

/* DDRC */
#define DDC7 7
#define DDC6 6
#define DDC5 5
#define DDC4 4
#define DDC3 3
#define DDC2 2
#define DDC1 1
#define DDC0 0

/* PINC */
#define PINC7 7
#define PINC6 6
#define PINC5 5
#define PINC4 4
#define PINC3 3
#define PINC2 2
#define PINC1 1
#define PINC0 0
</c>

== Digitale Signale ==

Am einfachsten ist es, digitale Signale mit dem Mikrocontroller zu erfassen bzw. auszugeben.

== Ausgänge ==
Will man als Ausgang definierte Pins (entsprechende DDRx-Bits = 1) auf Logisch 1 setzen, setzt man die entsprechenden Bits im Portregister.

Mit dem Befehl
<c>
#include <avr/io.h>
...
PORTB = 0x04; /* besser PORTB=(1<<PB2) */

// übersichtliche Alternative - Binärschreibweise
PORTB = 0b00000100; /* direkte Zuweisung - übersichtlich */

</c>
wird also der Ausgang an Pin PB2 gesetzt (Beachte, dass die Bits immer ''von 0 an'' gezählt werden, das niederwertigste Bit ist also Bitnummer 0 und nicht etwa Bitnummer 1).

Man beachte, dass bei der Zuweisung mittels '''=''' immer alle Pins gleichzeitig angegeben werden. Man sollte also, wenn nur bestimmte Ausgänge geschaltet werden sollen, zuerst den aktuellen Wert des Ports einlesen und das Bit des gewünschten Ports in diesen Wert einfließen lassen. Will man also nur den dritten Pin (Bit Nr. 2) an Port B auf "high" setzen und den Status der anderen Ausgänge unverändert lassen, nutze man diese Form:

<c>
#include <avr/io.h>
...
PORTB = PORTB | 0x04; /* besser: PORTB = PORTB | ( 1<<PB2 ) */
/* vereinfacht durch Nutzung des |= Operators : */
PORTB |= (1<<PB2);

/* auch mehrere "gleichzeitig": */
PORTB |= (1<<PB4) | (1<<PB5); /* Pins PB4 und PB5 "high" */
</c>

"Ausschalten", also Ausgänge auf "low" setzen, erfolgt analog:

<c>
#include <avr/io.h>
...
PORTB &= ~(1<<PB2); /* löscht Bit 2 in PORTB und setzt damit Pin PB2 auf low */
PORTB &= ~( (1<<PB4) | (1<<PB5) ); /* Pin PB4 und Pin PB5 "low" */
</c>
Siehe auch [[Bitmanipulation]]

In Quellcodes, die für ältere Version den des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, werden einzelne Bits mittels der Funktionen sbi und cbi gesetzt bzw. gelöscht. Beide Funktionen sind in aktuellen Versionen der avr-libc nicht mehr enthalten und auch nicht mehr erforderlich.

''Falls der Anfangszustand von Ausgängen kritisch ist, muss die Reihenfolge beachtet werden, mit der die Datenrichtung (DDRx) eingestellt und der Ausgabewert (PORTx) gesetzt wird:''

Für Ausgangspins, die mit Anfangswert "high" initialisiert werden sollen:
* zuerst die Bits im PORTx-Register setzen
* anschließend die Datenrichtung auf Ausgang stellen

Daraus ergibt sich die Abfolge für einen Pin, der bisher als Eingang mit abgeschaltetem Pull-Up konfiguriert war:
* setze PORTx: interner Pull-Up aktiv
* setze DDRx: Ausgang ("high")

Bei der Reihenfolge erst DDRx und dann PORTx kann es zu einem kurzen "low-Puls" kommen, der auch externe Pull-Up-Widerstände "überstimmt". Die (ungünstige) Abfolge: Eingang -> setze DDRx: Ausgang (auf "low", da PORTx nach Reset 0) -> setze PORTx: Ausgang auf high. Vergleiche dazu auch das Datenblatt Abschnitt ''Configuring the Pin''.

== Eingänge (Wie kommen Signale in den µC) ==

Die digitalen Eingangssignale können auf verschiedene Arten zu unserer Logik gelangen.

=== Signalkopplung ===

Am einfachsten ist es, wenn die Signale direkt aus einer anderen digitalen Schaltung übernommen werden können. Hat der Ausgang der entsprechenden Schaltung TTL-Pegel dann können wir sogar direkt den Ausgang der Schaltung mit einem Eingangspin von unserem Controller verbinden.

Hat der Ausgang der anderen Schaltung keinen TTL-Pegel so müssen wir den Pegel über entsprechende Hardware (z. B. Optokoppler, [[Widerstand#Spannungsteiler|Spannungsteiler]], "Levelshifter" aka [[Pegelwandler]]) anpassen.

Die Masse der beiden Schaltungen muss selbstverständlich miteinander verbunden werden. Der Software selber ist es natürlich letztendlich egal, wie das Signal eingespeist wird. Wir können ja ohnehin lediglich prüfen, ob an einem Pin unseres Controllers eine logische 1 (Spannung größer ca. 0,7*Vcc) oder eine logische 0 (Spannung kleiner ca. 0,2*Vcc) anliegt. Detaillierte Informationen darüber, ab welcher Spannung ein Eingang als 0 ("low") bzw. 1 ("high") erkannt wird, liefert die Tabelle DC Characteristics im Datenblatt des genutzten Controllers.

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''Spannungstabelle''' (ca. Grenzwerte)
|
! Low || High
|-
! bei 5 V
| 1 V || 3,5 V
|-
! bei 3,3 V
| 0,66 V || 2,31 V
|-
! bei 1,8 V
| 0,36 V || 1,26 V
|}

Die Abfrage der Zustände der Portpins erfolgt direkt über den Registernamen.

{{Warnung|Dabei ist wichtig, zur Abfrage der Eingänge ''nicht'' etwa Portregister '''PORTx''' zu verwenden, sondern Eingangsregister '''PINx'''. Ansonsten liest man nicht den Zustand der Eingänge, sondern den Status der internen Pull-Up-Widerstände. Die Abfrage der Pinzustände über PORTx statt PINx ist ein häufiger Fehler beim AVR-"Erstkontakt".}}

Will man also die aktuellen Signalzustände von Port D abfragen und in eine Variable namens bPortD abspeichern, schreibt man folgende Befehlszeilen:

<c>
#include <avr/io.h>
#include <stdint.h>
...
uint8_t bPortD;
...
bPortD = PIND;
...
</c>

Mit den C-Bitoperationen kann man den Status der Bits abfragen.

<c>
#include <avr/io.h>
...
/* Fuehre Aktion aus, wenn Bit Nr. 1 (das "zweite" Bit) in PINC gesetzt (1) ist */
if ( PINC & (1<<PINC1) ) {
/* Aktion */
}

/* Fuehre Aktion aus, wenn Bit Nr. 2 (das "dritte" Bit) in PINB geloescht (0) ist */
if ( !(PINB & (1<<PINB2)) ) {
/* Aktion */
}
...
</c>
Siehe auch [[Bitmanipulation#Bits_prüfen]]

=== Interne Pull-Up Widerstände ===

Portpins für Ein- und Ausgänge (GPIO) eines AVR verfügen über zuschaltbare interne Pull-Up Widerstände (nominal mehrere 10kOhm, z. B. ATmega16 20-50kOhm). Diese können in vielen Fällen statt externer Widerstände genutzt werden.

Die internen Pull-Up Widerstände von Vcc zu den einzelnen Portpins werden über das Register ''' PORTx''' aktiviert bzw. deaktiviert, wenn ein Pin als ''' Eingang''' geschaltet ist.

Wird der Wert des entsprechenden Portpins auf 1 gesetzt, so ist der Pull-Up Widerstand aktiviert. Bei einem Wert von 0 ist der Pull-Up Widerstand nicht aktiv. Man sollte jeweils entweder den internen oder einen externen Pull-Up Widerstand verwenden, aber nicht beide zusammen.

Im Beispiel werden alle Pins des Ports D als Eingänge geschaltet und alle Pull-Up Widerstände aktiviert. Weiterhin wird Pin PC7 als Eingang geschaltet und dessen interner Pull-Up Widerstand aktiviert, ohne die Einstellungen für die anderen Portpins (PC0-PC6) zu verändern.

<c>
#include <avr/io.h>
...
DDRD = 0x00; /* alle Pins von Port D als Eingang */
PORTD = 0xff; /* interne Pull-Ups an allen Port-Pins aktivieren */
...
DDRC &= ~(1<<PC7); /* Pin PC7 als Eingang */
PORTC |= (1<<PC7); /* internen Pull-Up an PC7 aktivieren */
</c>

=== Tasten und Schalter ===

Der Anschluss mechanischer Kontakte an den Mikrocontroller, ist zwischen zwei unterschiedliche Methoden zu unterscheiden: ''Active Low'' und ''Active High''.

<gallery widths="300" heights="300" caption="Anschluss mechanischer Kontakte an einen µC">
Image:Active Low.gif|'''Active Low:''' Bei dieser Methode wird der Kontakt zwischen den Eingangspin des Controllers und Masse geschaltet. Damit bei offenem Schalter der Controller kein undefiniertes Signal bekommt, wird zwischen die Versorgungsspannung und den Eingangspin ein sogenannter '''Pull-Up''' Widerstand geschaltet. Dieser dient dazu, den Pegel bei geöffnetem Schalter auf logisch 1 zu ziehen.
Image:Active High.gif|'''Active High:''' Hier wird der Kontakt zwischen die Versorgungsspannung und den Eingangspin geschaltet. Damit bei offener Schalterstellung kein undefiniertes Signal am Controller ansteht, wird zwischen den Eingangspin und die Masse ein '''Pull-Down''' Widerstand geschaltet. Dieser dient dazu, den Pegel bei geöffneter Schalterstellung auf logisch 0 zu halten.
</gallery>

Der Widerstandswert von Pull-Up- und Pull-Down-Widerständen ist an sich nicht kritisch. Wird er allerdings zu hoch gewählt, ist die Wirkung eventuell nicht gegeben. Als üblicher Wert haben sich 10 kOhm eingebürgert. Die AVRs verfügen an den meisten Pins über zuschaltbare interne Pull-Up Widerstände (vgl. Abschnitt [[AVR-GCC-Tutorial#Interne Pull-Up Widerstände|Interne Pull-Up Widerstände]]), welche insbesondere wie hier bei Tastern und ähnlichen Bauteilen (z. B. Drehgebern) statt externer Bauteile verwendet werden können. Interne Pull-Down-Widerstand sind nicht verfügbar und müssen daher in Form zusätzlicher Bauteile in die Schaltung eingefügt werden.

==== (Tasten-)Entprellung ====

Siehe: ''[[Entprellung#Warteschleifen-Verfahren|Entprellung: Warteschleifen-Verfahren]]

= Analoge Ein- und Ausgabe =

Analoge Eingangswerte werden in der Regel über den AVR Analog-Digital-Converter (AD-Wandler, ADC) eingelesen, der in vielen Typen verfügbar ist (typisch 10bit Auflösung). Durch diesen werden analoge Signale (Spannungen) in digitale Zahlenwerte gewandelt. Bei AVRs, die über keinen internen AD-Wandler verfügen (z. B. ATmega162), kann durch externe Beschaltung (R/C-Netzwerk und "Zeitmessung") die Funktion des AD-Wandlers "emuliert" werden.

Es gibt innerhalb der ATMega- und ATTiny-AVR Reihe keine Typen mit eingebautem Digital-Analog-Konverter (DAC) - diese Funktion ist erst ab der XMEGA-Reihe der AVR-Familie verfügbar, die aber wegen ihrer vielen Unterschiede im Umfang dieses Tutorials nicht behandelt wird.
Die Umsetzung zu einer analogen Spannung muss daher durch externe Komponenten vorgenommen werden. Das kann z. B. durch PWM und deren Filterung zu (fast) DC, oder einem sogenannten R2R-Netzwerk erfolgen.

Unabhängig davon besteht natürlich immer die Möglichkeit, spezielle Bausteine zur Analog-Digital- bzw. Digital-Analog-Wandlung zu nutzen und diese über eine digitale Schnittstelle (z.b. SPI oder I2C) mit einem AVR anzusteuern.

== AC (Analog Comparator) ==

Der Comparator vergleicht 2 Spannungen an den Pins AIN0 und AIN1 und gibt einen Status aus welche der beiden Spannungen größer ist. AIN0 Dient dabei als Referenzspannung (Sollwert) und AIN1 als Vergleichsspannung (Istwert). Als Referenzspannung kann auch alternativ eine interne Referenzspannung ausgewählt werden.

Liegt die Vergleichsspannung (IST) unter der der Referenzspannung (SOLL) gibt der Comperator eine logische 1 aus. Ist die Vergleichsspannung hingegen größer als die Referenzspannung wird eine logische 0 ausgegeben.

Der Comparator arbeitet völlig autark bzw. parallel zum Prozessor. Für mobile Anwendungen empfiehlt es sich ihn abzuschalten sofern er nicht benötigt wird, da er ansonsten Strom benötigt. Der Comparator kann Interruptgesteuert abgefragt werden oder im Pollingbetrieb.

Das Steuer- bzw. Statusregister ist wie folgt aufgebaut:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''ACSR - Analog Comparator Status Register'''
|-
! Bit
| 7|| 6|| 5|| 4|| 3|| 2|| 1|| 0
|-
! Name
| '''ACD'''|| '''ACBG'''|| '''ACO'''|| '''ACI'''|| '''ACIE'''|| '''ACIC'''|| '''ACIS1'''|| '''ACIS0'''
|-
! R/W
| R/W|| R/W|| R|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W
|-
! Initialwert
| 0|| 0|| n/a|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0
|}

;Bit 7 ACD: Analog Comparator Disable: 0 = Comparator ein, 1 = Comparator aus. Wird dieses Bit geändert kann ein Interrupt ausgelöst werden. Soll dies vermieden werden muss das Bit 3 ACIE ggf. abgeschaltet werden.

;Bit 6 ACBG: Analog Comparator Bandgap Select: Ermöglicht das umschalten zwischen interner und externer Referenzspannung. 1 = interne (~1,3 Volt), 0 = externe Referenzspannung (an Pin AIN0)

;Bit 5 ACO: Analog Comparator Output: Hier wird das Ergebnis des Vergleichs angezeigt. Es liegt typischerweise nach 1-2 Taktzyklen vor.
:: IST < SOLL → 1
:: IST > SOLL → 0

;Bit 4 ACI: Analog Comparator Interrupt Flag: Dieses Bit wird von der Hardware gesetzt, wenn ein Interruptereignis, das in Bit 0 und 1 definiert ist, eintritt. Dieses Bit löst noch keinen Interrupt aus! Die Interruptroutine wird nur dann ausgeführt, wenn das Bit 3 ACIE gesetzt ist und global Interrupts erlaubt sind (I-Bit in SREG gesetzt). Das Bit 4 ACI wird wieder gelöscht, wenn die Interruptroutine ausgeführt wurde oder wenn es manuell auf 1! gesetzt wird. Das Bit kann für Abfragen genutzt werden, steuert oder konfiguriert aber nicht den Comparator.

;Bit 3 ACIE: Analog Comparator Interrupt Enable: Ist das Bit auf 1 gesetzt, wird immer ein Interrupt ausgelöst, wenn das Ereignis das in Bit 1 und 0 definiert ist, eintritt.

;Bit 2 ACIC: Analog Comparator Input Capture Enable: Wird das Bit gesetzt, wird der Comparatorausgang intern mit dem Counter 1 verbunden. Es könnten damit z.b. die Anzahl der Vergleiche im Counter1 gezählt werden. Um den Comparator an den Timer1 Input Capture Interrupt zu verbinden, muss im Timerregister das TICIE1 Bit auf 1 gesetzt werden. Der Trigger wird immer dann ausgelöst, wenn das in Bit 1 und 0 definierte Ereignis eintritt.

;Bit 1,0 ACIS1,ACIS0: Analog Comparator Interrupt select: Hier wird definiert, welche Ereignisse einen Interrupt auslösen sollen:
:* 00 = Interrupt auslösen bei jedem Flankenwechsel
:* 10 = Interrupt auslösen bei fallender Flanke
:* 11 = Interrupt auslösen bei steigender Flanke

Werden diese Bit geändert, kann ein Interrupt ausgelöst werden. Soll dies vermieden werden, muss das Bit 3 gelöscht werden.

== ADC (Analog Digital Converter) ==

Der Analog-Digital-Konverter (ADC) wandelt analoge Signale in digitale Werte um, welche vom Controller interpretiert werden können. Einige AVR-Typen haben bereits einen mehrkanaligen Analog-Digital-Konverter eingebaut. Die Feinheit, mit welcher ein analoges Signal aufgelöst werden kann, wird durch die Auflösung des ADC, d.h. durch die Anzahl der verwendeten Bits angegeben. So sind derzeit bspw. 8-Bit- oder 10-Bit-ADC im Einsatz. ADCs, die in AVRs enthalten sind, haben zur Zeit eine maximale Auflösung von 10-Bit.

Ein ADC mit 8 Bit Auflösung kann somit das analoge Signal in Abstufungen von 1/256 des Maximalwertes digitalisieren. Wenn wir nun mal annehmen, wir hätten eine Eingangspannung zwischen 0 und 5 Volt, eine Referenzspannung von 5 V und eine Auflösung von 3 Bit, dann könnten
Intervalle mit den Grenzen 0 V, 0.625 V, 1.25 V, 1.875 V, 2.5 V, 3.125 V, 3.75 V, 4.375 V, 5 V entsprechend folgender Tabelle unterschieden werden:

::{| class="wikitable" style="text-align:center"
! Eingangsspannung am ADC / V || Entsprechender Messwert
|-
| 0 – 0.625 || 0
|-
| 0.625 – 1.25 || 1
|-
| 1.25 – 1.875 || 2
|-
| 1.875 – 2.5 || 3
|-
| 2.5 – 3.125 || 4
|-
| 3.125 – 3.75 || 5
|-
| 3.75 – 4.375 || 6
|-
| 4.375 – 5 || 7
|}

Die Angaben sind natürlich nur ungefähr. Je höher nun die Auflösung des Analog-Digital-Konverters ist, also, je mehr Bits er hat, desto genauer kann der jeweilige Wert erfasst werden.

=== Der interne ADC im AVR ===

Oft sind auch mehrere Kanäle verfügbar. Kanäle heißt in diesem Zusammenhang, dass zwar bis zu zehn analoge Eingänge am AVR vorhanden sind, aber nur ein "echter" Analog-Digital-Wandler zur Verfügung steht. Vor der eigentlichen Messung ist also festzulegen, welcher Kanal ("Pin") mit dem Wandler verbunden und gemessen wird.

Die Umwandlung innerhalb des AVR basiert auf der schrittweisen Näherung. Beim AVR müssen die Pins '''AGND''' und '''AVCC''' beschaltet werden. Für genaue Messungen sollte AVCC über ein L-C Netzwerk mit VCC verbunden werden, um Spannungsspitzen und -einbrüche vom Analog-Digital-Wandler fernzuhalten. Im Datenblatt findet sich dazu eine Schaltung, die 10uH und 100nF vorsieht.

Das Ergebnis der Analog-Digital-Wandlung wird auf eine Referenzspannung bezogen. Aktuelle AVRs bieten drei Möglichkeiten zur Wahl dieser Spannung:

* Eine externe Referenzspannung von maximal '''Vcc''' am Anschlusspin '''AREF'''. Die minimale (externe) Referenzspannung darf jedoch nicht beliebig niedrig sein, vgl. dazu das (aktuellste) Datenblatt des verwendeten Controllers.

* Verfügt der AVR über eine interne Referenzspannung, kann diese genutzt werden. Alle aktuellen AVRs mit internem AD-Wandler sollten damit ausgestattet sein (vgl. Datenblatt: 2,56V oder 1,1V je nach Typ). Das Datenblatt gibt auch über die Genauigkeit dieser Spannung Auskunft.

* Es kann die Spannung AVcc als Referenzspannung herangezogen werden

Bei Nutzung von AVcc oder der internen Referenz wird empfohlen, einen Kondensator zwischen dem AREF-Pin und GND anzuordnen. Die Festlegung, welche Spannungsreferenz genutzt wird, erfolgt z. B. beim ATmega16 mit den Bits REFS1/REFS0 im ADMUX-Register. Die zu messende Spannung muss im Bereich zwischen '''AGND''' und '''AREF''' (egal ob intern oder extern) liegen.

Der '''ADC''' kann in zwei verschiedenen Betriebsarten verwendet werden:

; Einfache Wandlung (Single Conversion) : In dieser Betriebsart wird der Wandler bei Bedarf vom Programm angestoßen für jeweils eine Messung.

; Frei laufend (Free Running) : In dieser Betriebsart erfasst der Wandler permanent die anliegende Spannung und schreibt diese in das '''ADC Data Register'''.

==== Die Register des ADC ====

Der '''ADC''' verfügt über eigene Register. Im Folgenden die Registerbeschreibung eines ATMega16, welcher über 8 ADC-Kanäle verfügt. Die Register unterscheiden sich jedoch nicht erheblich von denen anderer AVRs (vgl. Datenblatt).

{| class="wikitable"
|-
| '''ADCSRA   '''
| '''ADC''' '''C'''ontrol and '''S'''tatus '''R'''egister A. 
In diesem Register stellen wir ein, wie wir den '''ADC''' verwenden möchten. 
Das Register ist wie folgt aufgebaut:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7|| 6|| 5|| 4|| 3|| 2|| 1|| 0
|-
! Name
| '''ADEN'''|| '''ADSC'''|| '''ADFR'''|| '''ADIF'''|| '''ADIE'''|| '''ADPS2'''|| '''ADPS1'''|| '''ADPS0'''
|-
! R/W
| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W
|-
! Initialwert
| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0
|}

'''ADEN''' ('''AD'''C '''En'''able)
:Dieses Bit muss gesetzt werden, um den ''' ADC''' überhaupt zu aktivieren. Wenn das Bit nicht gesetzt ist, können die Pins wie normale I/O-Pins verwendet werden.

'''ADSC''' ('''AD'''C '''S'''tart '''C'''onversion)
:Mit diesem Bit wird ein Messvorgang gestartet. In der frei laufenden Betriebsart muss das Bit gesetzt werden, um die kontinuierliche Messung zu aktivieren.
:Wenn das Bit nach dem Setzen des '''ADEN'''-Bits zum ersten Mal gesetzt wird, führt der Controller zuerst eine zusätzliche Wandlung und erst dann die eigentliche Wandlung aus. Diese zusätzliche Wandlung wird zu Initialisierungszwecken durchgeführt.
:Das Bit bleibt nun so lange auf 1, bis die Umwandlung abgeschlossen ist, im Initialisierungsfall entsprechend bis die zweite Umwandlung erfolgt ist und geht danach auf 0.

'''ADFR''' ('''AD'''C '''F'''ree '''R'''un select)
:Mit diesem Bit wird die Betriebsart eingestellt.
:Ist das Bit auf 1 gesetzt arbeitet der ADC im "Free Running"-Modus. Dabei wird das Datenregister permanent aktualisiert. Ist das Bit hingegen auf 0 gesetzt, macht der ADC nur eine "Single Conversion".

'''ADIF''' ('''AD'''C '''I'''nterrupt '''F'''lag)
:Dieses Bit wird vom ''' ADC''' gesetzt, sobald eine Umwandlung erfolgt ist und das '''ADC Data Register''' aktualisiert wurde. Das Bit wird bei lesendem Zugriff auf '''ADC(L,H)''' automatisch (d.h. durch die Hardware) gelöscht.
:Wenn das '''ADIE''' Bit sowie das '''I-Bit''' im AVR '''Statusregister''' gesetzt ist, wird der '''ADC Interrupt''' ausgelöst und die Interrupt-Behandlungsroutine aufgerufen.
:Das Bit wird automatisch gelöscht, wenn die Interrupt-Behandlungsroutine aufgerufen wird. Es kann jedoch auch gelöscht werden, indem eine logische '''1'''! in das Register geschrieben wird.

'''ADIE''' ('''AD'''C '''I'''nterrupt '''E'''nable)
:Wenn dieses Bit gesetzt ist und ebenso das ''' I-Bit''' im Statusregister '''SREG''', dann wird der ''' ADC-Interrupt''' aktiviert.

'''ADPS2...ADPS0''' ('''AD'''C '''P'''rescaler '''S'''elect Bits)
:Diese Bits bestimmen den Teilungsfaktor zwischen der Taktfrequenz und dem Eingangstakt des '''ADC'''.
:Der '''ADC''' benötigt einen eigenen Takt, welchen er sich selber aus der CPU-Taktfreqenz erzeugt. Der '''ADC'''-Takt sollte zwischen 50 und 200kHz liegen.
:Der Vorteiler muss also so eingestellt werden, dass CPU-Taktfrequenz dividiert durch den Teilungsfaktor einen Wert im Bereich '''(50-200)kHz''' ergibt.
:Bei einer CPU-Taktfrequenz von 4MHz beispielsweise rechnen wir

:<math>
\begin{matrix}
TF_{min}=\frac{CLK}{200\,\mathrm{kHz}}=\frac{4000000}{200000}=\mathbf{20}
\\
\\
TF_{max}=\frac{CLK}{50\,\mathrm{kHz}}=\frac{4000000}{50000}=\mathbf{80}
\end{matrix}
</math>

:Somit kann hier der Teilungsfaktor 32 oder 64 verwendet werden. Im Interesse der schnelleren Wandlungszeit werden wir hier den Faktor 32 einstellen.

:{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! '''ADPS2'''|| '''ADPS1'''|| '''ADPS0'''|| '''Teilungsfaktor'''
|-
| 0|| 0|| 0|| 2
|-
| 0|| 0|| 1|| 2
|-
| 0|| 1|| 0|| 4
|-
| 0|| 1|| 1|| 8
|-
| 1|| 0|| 0|| 16
|-
| 1|| 0|| 1|| 32
|-
| 1|| 1|| 0|| 64
|-
| 1|| 1|| 1|| 128
|}

|-
| '''ADCL''' 
'''ADCH'''
| '''ADC ''' Data Register 
Wenn eine Umwandlung abgeschlossen ist, befindet sich der gemessene Wert in
diesen beiden Registern. Von '''ADCH''' werden nur die beiden niederwertigsten Bits verwendet. Es müssen immer beide Register ausgelesen werden, und zwar immer '''in der Reihenfolge: ADCL, ADCH'''.
Der effektive Messwert ergibt sich dann zu:

<c>
x = ADCL; // mit uint16_t x
x += (ADCH<<8); // in zwei Zeilen (LSB/MSB-Reihenfolge und
// C-Operatorpriorität sichergestellt)
</c>

oder

<c>
x = ADCW; // je nach AVR auch x = ADC (siehe avr/ioxxx.h)
</c>

|-
| '''ADMUX  '''
| '''AD'''C '''Mu'''ltiple'''x'''er Select Register 
Mit diesem Register wird der zu messende Kanal ausgewählt. Beim 90S8535
kann jeder Pin von Port A als '''ADC'''-Eingang verwendet werden (=8 Kanäle). 
Das Register ist wie folgt aufgebaut:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7|| 6|| 5|| 4|| 3|| 2|| 1|| 0
|-
! Name
| '''REFS1'''|| '''REFS0'''|| '''ADLAR'''|| '''MUX4'''|| '''MUX3'''|| '''MUX2'''|| '''MUX1'''|| '''MUX0'''
|-
! '''R/W'''
| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W
|-
! Initialwert
| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0
|}

'''REFS1...REFS0''' ('''Ref'''erence'''S'''election Bits)
:Mit diesen Bits kann die Referenzspannung eingestellt werden. Bei der Umstellung sind Wartezeiten zu beachten, bis die ADC-Hardware einsatzfähig ist (Datenblatt und [http://www.mikrocontroller.net/topic/165513]):

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! '''REFS1'''|| '''REFS0'''|| '''Referenzspanung'''
|-
| 0|| 0|| Externes AREF
|-
| 0|| 1|| AVCC als Referenz
|-
| 1|| 0|| Reserviert
|-
| 1|| 1|| Interne 2,56 Volt
|}

'''ADLAR''' ('''ADC ''' '''L'''eft '''A'''djust '''R'''esult)
:Das ADLAR Bit verändert das Aussehen des Ergebnisses der AD-Wandlung. Bei einer logischen 1 wird das Ergebnis linksbündig ausgegeben, bei einer 0 rechtsbündig. Eine Änderung in diesem Bit beeinflusst das Ergebnis sofort, ganz egal ob bereits eine Wandlung läuft.

'''MUX4...MUX0'''
:Mit diesen 5 Bits wird der zu messende Kanal bestimmt. Wenn man einen einfachen 1-kanaligen ADC verwendet wird einfach die entsprechende Pinnummer des Ports in die Bits 0...4 eingeschrieben (je nach Anzahl der Wandler des AVR, bei 8 AD-Kanälen halt nur 0...2).
:Wenn das Register beschrieben wird, während eine Umwandlung läuft, so wird zuerst die aktuelle Umwandlung auf dem bisherigen Kanal beendet. Dies ist vor allem beim frei laufenden Betrieb zu berücksichtigen.

:Eine Empfehlung ist deswegen diese, dass der frei laufende Betrieb nur bei einem einzelnen zu verwendenden Analogeingang verwendet werden sollte, wenn man sich Probleme bei der Umschalterei ersparen will.
|}

==== Nutzung des ADC ====

Um den ''' ADC''' zu aktivieren, müssen wir das '''ADEN'''-Bit im '''ADCSR'''-Register setzen. Im gleichen Schritt legen wir auch die Betriebsart fest.

Ein kleines Beispiel für den "single conversion"-Mode bei einem ATmega169 und Nutzung der internen Referenzspannung (beim '169 1,1V bei anderen AVRs auch 2,56V). D.h. das Eingangssignal darf diese Spannung nicht überschreiten, gegebenenfalls muss es mit einem [[Spannungsteiler]] verringert werden. Das Ergebnis der Routine ist der ADC-Wert, also 0 für 0-Volt und 1023 für V_ref-Volt.

In der praktischen Anwendung wird man zum Programmstart den ADC erst einmal grundlegend konfigurieren und dann auf verschiedenen Kanälen messen. Diese beiden Dinge sollte man meist trennen, denn das Einschalten des ADC und vor allem der Referenzspannung dauert ein paar Dutzend Mikrosekunden. Außerdem ist das erste Ergebnis nach dem Einschalten ungültig und muss verworfen werden.

<c>

/* ADC initialisieren */
void ADC_Init(void) {

uint16_t result;

// ADMUX = (0<<REFS1) | (1<<REFS0); // AVcc als Referenz benutzen
ADMUX = (1<<REFS1) | (1<<REFS0); // interne Referenzspannung nutzen
// Bit ADCFR ("free running") in ADCSRA steht beim Einschalten
// schon auf 0, also single conversion
ADCSRA = (1<<ADPS1) | (1<<ADPS0); // Frequenzvorteiler
ADCSRA |= (1<<ADEN); // ADC aktivieren

/* nach Aktivieren des ADC wird ein "Dummy-Readout" empfohlen, man liest
also einen Wert und verwirft diesen, um den ADC "warmlaufen zu lassen" */

ADCSRA |= (1<<ADSC); // eine ADC-Wandlung
while (ADCSRA & (1<<ADSC) ) {} // auf Abschluss der Konvertierung warten
/* ADCW muss einmal gelesen werden, sonst wird Ergebnis der nächsten
Wandlung nicht übernommen. */
result = ADCW;
}

/* ADC Einzelmessung */
uint16_t ADC_Read( uint8_t channel )
{
// Kanal waehlen, ohne andere Bits zu beeinflußen
ADMUX = (ADMUX & ~(0x1F)) | (channel & 0x1F);
ADCSRA |= (1<<ADSC); // eine Wandlung "single conversion"
while (ADCSRA & (1<<ADSC) ) {} // auf Abschluss der Konvertierung warten
return ADCW; // ADC auslesen und zurückgeben
}

/* ADC Mehrfachmessung mit Mittelwertbbildung */
uint16_t ADC_Read_Avg( uint8_t channel, uint8_t average )
{
uint32_t result = 0;

for (uint8_t i = 0; i < average; ++i )
result += ADC_Read( channel );

return (uint16_t)( result / average );
}

...

/* Beispielaufrufe: */

int main()
{
uint16_t adcval;
ADC_Init();

while( 1 ) {
adcval = ADC_Read(0); // Kanal 0
// mach was mit adcval

adcval = ADC_Read_Avg(2, 4); // Kanal 2, Mittelwert aus 4 Messungen
// mach was mit adcval
}
}

</c>

Im Beispiel läuft der ADC ständig. Für den Fall, dass man Strom sparen will, z.B. mittels Verwendung des [[Sleep Mode]]s, muss man den ADC nach jeder Messung abschalten und vor der nächsten Messung wieder einschalten, wobei auch dann wieder eine kleine Pause und Anfangswandlung nötig sind.



=== Analog-Digital-Wandlung ohne internen ADC ===

==== Messen eines Widerstandes ====

[[Image:Poti.gif|framed|right]]
Analoge Werte lassen sich ohne Analog-Digital-Wandler auch indirekt ermitteln. Im Folgenden wird die Messung des an einem Potentiometer eingestellten Widerstands anhand der Ladekurve eines Kondensators erläutert. Bei dieser Methode wird nur ein Portpin benötigt, ein Analog-Digital-Wandler oder Analog-Comparator ist nicht erforderlich. Es wird dazu ein Kondensator und der Widerstand (das Potentiometer) in Reihe zwischen Vorsorgungsspannung und Masse/GND geschaltet (sogen. RC-Netzwerk). Zusätzlich wird eine Verbindung der Leitung zwischen Kondensator und Potentiometer zu einem Portpin des Controllers hergestellt. Die folgende Abbildung verdeutlicht die erforderliche Schaltung.

Wird der Portpin des Controllers auf Ausgang konfiguriert (im Beispiel ''DDRD |= (1<<PD2)'') und dieser Ausgang auf Logisch 1 ("High", ''PORTD |= (1<<PD2)'') geschaltet, liegt an beiden "Platten" des Kondensators das gleiche Potential '''VCC''' an und der Kondensator somit entladen. (Klingt komisch, mit ''' Vcc''' entladen, ist aber so, da an beiden Seiten des Kondensators das gleiche Potential anliegt und somit eine Potentialdifferenz von 0V besteht => Kondensator ist entladen).

Nach einer gewissen Zeit ist der Kondensator entladen und der Portpin wird als Eingang konfiguriert (''DDRD &= ~(1<<PD2); PORTD &= ~(1<<PD2)''), wodurch dieser hochohmig wird. Der Status des Eingangspin (in PIND) ist Logisch 1 (High). Der Kondensator lädt sich jetzt über das Poti auf, dabei steigt der Spannungsabfall über dem Kondensator und derjenige über dem Poti sinkt. Fällt nun der Spannungsabfall über dem Poti unter die Threshold-Spannung des Eingangspins (2/5 Vcc, also ca. 2V), wird das Eingangssignal als LOW erkannt (Bit in PIND wird 0). Die Zeitspanne zwischen der Umschaltung von Entladung auf Aufladung und dem Wechsel des Eingangssignals von High auf Low ist ein Maß für den am Potentiometer eingestellten Widerstand. Zur Zeitmessung kann einer der im Controller vorhandenen Timer genutzt werden. Der 220 Ohm Widerstand dient dem Schutz des Controllers. Es würde sonst bei Maximaleinstellung des Potentionmeters (hier 0 Ohm) ein zu hoher Strom fließen, der die Ausgangsstufe des Controllers zerstört.

Mit einem weiteren Eingangspin und ein wenig Software können wir auch eine Kalibrierung realisieren, um den Messwert in einen vernünftigen Bereich (z.B: 0...100 % oder so) umzurechnen.



==== ADC über Komparator ====

[[Image:ADC ueber Komparator.gif|framed|right]]
Es gibt einen weiteren Weg, eine analoge Spannung mit Hilfe des
Komparators, welcher in fast jedem AVR integriert ist, zu messen. Siehe dazu
auch die Application Note AVR400 von Atmel.

Dabei wird das zu messende Signal auf den invertierenden Eingang
des Komparators geführt. Zusätzlich wird ein Referenzsignal an den nicht
invertierenden Eingang des Komparators angeschlossen. Das Referenzsignal wird
hier auch wieder über ein RC-Glied erzeugt, allerdings mit festen Werten für R
und C.

Das Prinzip der Messung ist nun dem vorhergehenden recht
ähnlich. Durch Anlegen eines LOW-Pegels an Pin 2 wird der Kondensator zuerst
einmal entladen. Auch hier muss darauf geachtet werden, dass der Entladevorgang
genügend lang dauert.
Nun wird Pin 2 auf HIGH gelegt. Der Kondensator wird geladen. Wenn die Spannung
über dem Kondensator die am Eingangspin anliegende Spannung erreicht hat,
schaltet der Komparator durch. Die Zeit, welche benötigt wird, um den
Kondensator zu laden, kann nun auch wieder als Maß für die Spannung an Pin 1
herangezogen werden.

Ich habe es mir gespart, diese Schaltung auch aufzubauen, und zwar aus mehreren Gründen:

# 3 Pins notwendig.
# Genauigkeit vergleichbar mit einfacherer Lösung.
# War einfach zu faul.

Der Vorteil dieser Schaltung liegt allerdings darin, dass damit direkt Spannungen gemessen werden können.

== DAC (Digital Analog Converter) ==

Mit Hilfe eines Digital-Analog-Konverters ('''DAC''') können wir nun auch Analogsignale ausgeben. Es gibt hier mehrere Verfahren. 

=== DAC über mehrere digitale Ausgänge ===

Wenn wir an den Ausgängen des Controllers ein entsprechendes
Widerstandsnetzwerk aufbauen haben wir die Möglichkeit, durch die Ansteuerung
der Ausgänge über den Widerständen einen Addierer aufzubauen, mit dessen
Hilfe wir eine dem Zahlenwert proportionale Spannung erzeugen können. Das
Schaltbild dazu kann etwa so aussehen:

[[Image:DAC R2R.gif]]

Es sollten selbstverständlich möglichst genaue Widerstände verwendet
werden, also nicht unbedingt solche mit einer Toleranz von 10% oder mehr.
Weiterhin empfiehlt es sich, je nach Anwendung den Ausgangsstrom über einen
Operationsverstärker zu verstärken.

=== PWM (Pulsweitenmodulation) ===

Wir kommen nun zu einem Thema, welches in aller Munde ist, aber viele
Anwender verstehen nicht ganz, wie [[PWM]] eigentlich funktioniert.

Wie wir alle wissen, ist ein Mikrocontroller ein rein digitales Bauteil.
Definieren wir einen Pin als Ausgang, dann können wir diesen Ausgang entweder
auf HIGH setzen, worauf am Ausgang die Versorgungsspannung ''' Vcc''' anliegt, oder aber wir setzen den Ausgang auf LOW, wonach dann ''' 0V''' am Ausgang liegt. Was passiert aber nun, wenn wir periodisch mit einer festen Frequenz zwischen HIGH und LOW umschalten? - Richtig, wir erhalten eine Rechteckspannung, wie die folgende Abbildung zeigt:

[[Image:PWM Theorie 1.gif]]

Diese Rechteckspannung hat nun einen arithmetischen Mittelwert,
der je nach Pulsbreite kleiner oder größer ist.

[[Image:PWM Theorie 2.gif]]

Wenn wir nun diese pulsierende Ausgangsspannung noch über ein RC-Glied filtern/"glätten", dann haben wir schon eine entsprechende Gleichspannung erzeugt.

Mit den AVRs können wir direkt PWM-Signale erzeugen.
Dazu dient der 16-Bit Zähler, welcher im sogenannten PWM-Modus betrieben werden kann.

;Hinweis: In den folgenden Überlegungen wird als Controller der 90S2313 vorausgesetzt. Die Theorie ist bei anderen AVR-Controllern vergleichbar, die Pinbelegung allerdings nicht unbedingt, weshalb ein Blick ins entsprechende Datenblatt dringend angeraten wird.

Um den PWM-Modus zu aktivieren, müssen im Timer/Counter1 Control
Register A TCCR1A die Pulsweiten-Modulatorbits PWM10 bzw. PWM11 entsprechend nachfolgender Tabelle gesetzt werden:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! PWM11 || PWM10 || Bedeutung
|-
| 0 || 0 || PWM-Modus des Timers ist nicht aktiv
|-
| 0 || 1 || 8-Bit PWM
|-
| 1 || 0 || 9-Bit PWM
|-
| 1 || 1 || 10-Bit PWM
|}

Der Timer/Counter zählt nun permanent von 0 bis zur Obergrenze
und wieder zurück, er wird also als sogenannter Auf-/Ab Zähler betrieben.
Die Obergrenze hängt davon ab, ob wir mit 8, 9 oder 10-Bit PWM arbeiten wollen:

{| class="wikitable"
|-
! Auflösung || Obergrenze || Frequenz
|-
| align="center" | 8
| align="center" | 255
| fTC1 / 510
|-
| align="center" | 9
| align="center" | 511
| fTC1 / 1022
|-
| align="center" | 10
| align="center" | 1023
| fTC1 / 2046
|}

Zusätzlich muss mit den Bits '''COM1A1''' und '''COM1A0''' desselben
Registers die gewünschte Ausgabeart des Signals definiert werden:

{| class="wikitable"
|-
! COM1A1 || COM1A0 || Bedeutung
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| Keine Wirkung, Pin wird nicht geschaltet.
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| Keine Wirkung, Pin wird nicht geschaltet.
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| Nicht invertierende PWM. 
Der Ausgangspin wird gelöscht beim Hochzählen und gesetzt beim
Herunterzählen.
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| Invertierende PWM. 
Der Ausgangspin wird gelöscht beim Herunterzählen und gesetzt beim
Hochzählen.
|}

Der entsprechende Befehl, um beispielsweise den Timer/Counter als
nicht invertierenden 10-Bit PWM zu verwenden, heißt dann:

alte Schreibweise (PWMxx wird nicht mehr akzeptiert)
<c>
TCCR1A = (1<<PWM11)|(1<<PWM10)|(1<<COM1A1);
</c>
neue Schreibweise
<c>
TCCR1A = (1<<WGM11)|(1<<WGM10)|(1<<COM1A1);
</c>

Damit der Timer/Counter überhaupt läuft, müssen wir im Control
Register B '''TCCR1B''' noch den gewünschten Takt (Vorteiler) einstellen und
somit auch die Frequenz des '''PWM'''-Signals bestimmen.

{| class="wikitable"
|-
! CS12 || CS11 || CS10 || Bedeutung
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| Stop. Der Timer/Counter wird gestoppt.
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| CK
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| CK / 8
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| CK / 64
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| CK / 256
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| CK / 1024
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| Externer Pin 1, negative Flanke
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| Externer Pin 1, positive Flanke
|}

Also um einen Takt von CK / 1024 zu generieren, verwenden wir
folgenden Befehl:

<c>
TCCR1B = (1<<CS12) | (1<<CS10);
</c>

Jetzt muss nur noch der Vergleichswert festgelegt werden. Diesen
schreiben wir in das 16-Bit Timer/Counter Output Compare Register '''OCR1A'''.

<c>
OCR1A = xxx;
</c>

Die folgende Grafik soll den Zusammenhang zwischen dem Vergleichswert und dem generierten '''PWM'''-Signal aufzeigen.

[[Image:PWM Theorie 3.gif]]

[[Image:PWM Theorie 4.gif]]

Ach ja, fast hätte ich's vergessen. Das generierte '''PWM'''-Signal
wird am Output Compare Pin '''OC1''' des Timers ausgegeben und leider können wir
deshalb auch beim AT90S2313 nur ein einzelnes '''PWM'''-Signal mit dieser Methode generieren. Andere AVR-Typen verfügen über bis zu vier PWM-Ausgänge. Zu beachten ist außerdem, das wenn der OC Pin aktiviert ist, er nichtmehr wie üblich funktioniert und z. B. nicht einfach über PINx ausgelesen werden kann.

Ein Programm, welches an einem ATmega8 den Fast-PWM Modus verwendet, den Modus 14, könnte so aussehen
<C>
#include <avr/io.h>

int main()
{
// OC1A auf Ausgang
DDRB = (1 << PB1 ); //ATMega8
// DDRD = (1 << PD5 ); //ATMega16
//
// Timer 1 einstellen
//
// Modus 14:
// Fast PWM, Top von ICR1
//
// WGM13 WGM12 WGM11 WGM10
// 1 1 1 0
//
// Timer Vorteiler: 1
// CS12 CS11 CS10
// 0 0 1
//
// Steuerung des Ausgangsport: Set at BOTTOM, Clear at match
// COM1A1 COM1A0
// 1 0

TCCR1A = (1<<COM1A1) | (1<<WGM11);
TCCR1B = (1<<WGM13) | (1<<WGM12) | (1<<CS10);

// den Endwert (TOP) für den Zähler setzen
// der Zähler zählt bis zu diesem Wert

ICR1 = 0x6FFF;

// der Compare Wert
// Wenn der Zähler diesen Wert erreicht, wird mit
// obiger Konfiguration der OC1A Ausgang abgeschaltet
// Sobald der Zähler wieder bei 0 startet, wird der
// Ausgang wieder auf 1 gesetzt
//
// Durch Verändern dieses Wertes, werden die unterschiedlichen
// PWM Werte eingestellt.

OCR1A = 0x3FFF;

while (1) {}
}
</C>

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''PWM-Mode Tabelle aus dem Datenblatt des ATmega8515'''
|-
!Mode || WGM13 || WGM12 || WGM11 || WGM10 || Timer/Counter Mode of Operation
! TOP|| Update of OCR1x at || TOV1 Flag set on
|-
! 0
| 0
| 0
| 0
| 0
| Normal
| 0xFFFF
| Immediate
| MAX
|-
! 1
| 0
| 0
| 0
| 1
| PWM, Phase Correct, 8-Bit
| 0x00FF
| TOP
| BOTTOM
|-
! 2
| 0
| 0
| 1
| 0
| PWM, Phase Correct, 9-Bit
| 0x01FF
| TOP
| BOTTOM
|-
! 3
| 0
| 0
| 1
| 1
| PWM, Phase Correct, 10-Bit
| 0x03FF
| TOP
| BOTTOM
|-
! 4
| 0
| 1
| 0
| 0
| CTC
| OCR1A
| Immediate
| MAX
|-
! 5
| 0
| 1
| 0
| 1
| Fast PWM, 8-Bit
| 0x00FF
| BOTTOM
| TOP
|-
! 6
| 0
| 1
| 1
| 0
| Fast PWM, 9-Bit
| 0x01FF
| BOTTOM
| TOP
|-
! 7
| 0
| 1
| 1
| 1
| Fast PWM, 10-Bit
| 0x03FF
| BOTTOM
| TOP
|-
! 8
| 1
| 0
| 0
| 0
| PWM, Phase an Frequency Correct
| ICR1
| BOTTOM
| BOTTOM
|-
! 9
| 1
| 0
| 0
| 1
| PWM, Phase an Frequency Correct
| OCR1A
| BOTTOM
| BOTTOM
|-
! 10
| 1
| 0
| 1
| 0
| PWM, Phase Correct
| ICR1
| TOP
| BOTTOM
|-
! 11
| 1
| 0
| 1
| 1
| PWM, Phase an Frequency Correct
| OCR1A
| TOP
| BOTTOM
|-
! 12
| 1
| 1
| 0
| 0
| CTC
| ICR1
| Immediate
| MAX
|-
! 13
| 1
| 1
| 0
| 1
| Reserved
| -
| -
| -
|-
! 14
| 1
| 1
| 1
| 0
| Fast PWM
| ICR1
| BOTTOM
| TOP
|-
! 15
| 1
| 1
| 1
| 1
| Fast PWM
| OCR1A
| BOTTOM
| TOP
|}

Für Details der PWM-Möglichkeiten muss immer das jeweilge Datenblatt des Prozessors konsultiert werden, da sich die unterschiedlichen Prozessoren in ihren Möglichkeiten doch stark unterscheiden. Auch muss man aufpassen, welches zu setzende Bit in welchem Register ist. Auch hier kann es sein, dass gleichnamige Konfigurationsbits in unterschiedlichen Konfigurationsregistern (je nach konkretem Prozessortyp) sitzen.

= Warteschleifen (delay.h) =

Der Programmablauf kann verschiedene Arten von Wartefunktionen erfordern:

* Warten im Sinn von Zeitvertrödeln
* Warten auf einen bestimmten Zustand an den I/O-Pins
* Warten auf einen bestimmten Zeitpunkt (siehe Timer)
* Warten auf einen bestimmten Zählerstand (siehe Counter)

Der einfachste Fall, das Zeitvertrödeln, kann in vielen Fällen und mit großer Genauigkeit anhand der avr-libc Bibliotheksfunktionen _delay_ms() und _delay_us() erledigt werden. Die Bibliotheksfunktionen sind einfachen Zählschleifen (Warteschleifen) vorzuziehen, da leere Zählschleifen ohne besondere Vorkehrungen sonst bei eingeschalteter Optimierung vom avr-gcc-Compiler wegoptimiert werden. Weiterhin sind die Bibliotheksfunktionen bereits darauf vorbereitet, die in F_CPU definierte Taktfrequenz zu verwenden. Außerdem sind die Funktionen der Bibliothek wirklich getestet.

Einfach!? Schon, aber während gewartet wird, macht der µC nichts anderes mehr. Die Wartefunktion blockiert den Programmablauf. Möchte man einerseits warten, um z. B. eine LED blinken zu lassen und gleichzeitig andere Aktionen ausführen z. B. weitere LED bedienen, sollten die Timer/Counter des AVR verwendet werden.

Die Bibliotheksfunktionen funktionieren allerdings nur dann korrekt, wenn sie mit zur Übersetzungszeit (beim Compilieren) bekannten konstanten Werten aufgerufen werden. Der Quellcode muss mit eingeschalteter Optimierung übersetzt werden, sonst wird sehr viel Maschinencode erzeugt, und die Wartezeiten stimmen nicht mehr mit dem Parameter überein.

Abhängig von der Version der Bibliothek verhalten sich die Bibliotheksfunktionen etwas unterschiedlich.

== avr-libc Versionen kleiner 1.6 ==

Die Wartezeit der Funktion _delay_ms() ist auf 262,14ms/F_CPU (in MHz) begrenzt, d.h. bei 20 MHz kann man nur max. 13,1ms warten. Die Wartezeit der Funktion _delay_us() ist auf 768us/F_CPU (in MHz) begrenzt, d.h. bei 20 MHz kann man nur max. 38,4us warten. Längere Wartezeiten müssen dann über einen mehrfachen Aufruf in einer Schleife gelöst werden.

Beispiel: Blinken einer LED an PORTB Pin PB0 im ca. 1s Rhythmus
<c>
#include <avr/io.h>
#ifndef F_CPU
/* Definiere F_CPU, wenn F_CPU nicht bereits vorher definiert
(z. B. durch Übergabe als Parameter zum Compiler innerhalb
des Makefiles). Zusätzlich Ausgabe einer Warnung, die auf die
"nachträgliche" Definition hinweist */
#warning "F_CPU war noch nicht definiert, wird nun mit 3686400 definiert"
#define F_CPU 3686400UL /* Quarz mit 3.6864 Mhz */
#endif
#include <util/delay.h> /* in älteren avr-libc Versionen <avr/delay.h> */

/*
lange, variable Verzögerungszeit, Einheit in Millisekunden

Die maximale Zeit pro Funktionsaufruf ist begrenzt auf
262.14 ms / F_CPU in MHz (im Beispiel:
262.1 / 3.6864 = max. 71 ms)

Daher wird die kleine Warteschleife mehrfach aufgerufen,
um auf eine längere Wartezeit zu kommen. Die zusätzliche
Prüfung der Schleifenbedingung lässt die Wartezeit geringfügig
ungenau werden (macht hier vielleicht 2-3ms aus).
*/

void long_delay(uint16_t ms)
{
for(; ms>0; ms--) _delay_ms(1);
}

int main( void )
{
DDRB = ( 1 << PB0 ); // PB0 an PORTB als Ausgang setzen

while( 1 ) // Endlosschleife
{
PORTB ^= ( 1 << PB0 ); // Toggle PB0 z. B. angeschlossene LED
long_delay(1000); // Eine Sekunde warten...
}

return 0;
}
</c>

== avr-libc Versionen ab 1.6 ==

_delay_ms() kann mit einem Argument bis 6553,5 ms (= 6,5535 Sekunden) benutzt werden. Wird die früher gültige Grenze von 262,14 ms/F_CPU (in MHz) überschritten, so arbeitet _delay_ms() einfach etwas ungenauer und zählt nur noch mit einer Auflösung von 1/10 ms. Eine Verzögerung von 1000,10 ms ließe sich nicht mehr von einer von 1000,19 ms unterscheiden. Ein Verlust, der sich im Allgemeinen verschmerzen lässt. Dem Programmierer wird keine Rückmeldung gegeben, dass die Funktion ggf. gröber arbeitet, d.h. wenn es darauf ankommt, bitte den Parameter wie bisher geschickt wählen.

Die Funktion _delay_us() wurde ebenfalls erweitert. Wenn deren maximal als genau behandelbares Argument überschritten wird, benutzt diese intern _delay_ms(). Damit gelten in diesem Fall die _delay_ms() Einschränkungen.

Beispiel: Blinken einer LED an PORTB Pin PB0 im ca. 1s Rhythmus, avr-libc ab Version 1.6
<c>
#include <avr/io.h>
#ifndef F_CPU
/* Definiere F_CPU, wenn F_CPU nicht bereits vorher definiert
(z. B. durch Übergabe als Parameter zum Compiler innerhalb
des Makefiles). Zusätzlich Ausgabe einer Warnung, die auf die
"nachträgliche" Definition hinweist */
#warning "F_CPU war noch nicht definiert, wird nun mit 3686400 definiert"
#define F_CPU 3686400UL /* Quarz mit 3.6864 Mhz */
#endif
#include <util/delay.h>

int main( void )
{
DDRB = ( 1 << PB0 ); // PB0 an PORTB als Ausgang setzen

while( 1 ) { // Endlosschleife
PORTB ^= ( 1 << PB0 ); // Toggle PB0 z. B. angeschlossene LED
_delay_ms(1000); // Eine Sekunde +/-1/10000 Sekunde warten...
// funktioniert nicht mit Bibliotheken vor 1.6

}
return 0;
}
</c>

Die _delay_ms() und die _delay_us aus '''avr-libc 1.7.0''' sind fehlerhaft. _delay_ms () läuft 4x schneller als erwartet. Abhilfe ist eine korrigierte Includedatei: [http://www.mikrocontroller.net/topic/196738#1943039]

= Programmieren mit Interrupts =

<div style="float:right; margin:2em;">
[[Image:Interrupt Programme.gif]]
</div>
Nachdem wir nun alles Wissenswerte für die serielle Programmerstellung
gelernt haben nehmen wir jetzt ein völlig anderes Thema in Angriff, nämlich
die Programmierung unter Zuhilfenahme der Interrupts des AVR.

Als erstes wollen wir uns noch einmal den allgemeinen Programmablauf bei der
Interrupt-Programmierung zu Gemüte führen.

Man sieht, dass die Interruptroutine quasi parallel zum Hauptprogramm
abläuft. Da wir nur eine CPU haben ist es natürlich keine echte Parallelität,
sondern das Hauptprogramm wird beim Eintreffen eines Interrupts unterbrochen,
die Interruptroutine wird ausgeführt und danach erst wieder zum Hauptprogramm
zurückgekehrt.

Siehe auch

* [http://www.mikrocontroller.net/forum/read-1-235092.html#new Ausführlicher Thread im Forum]
* Artikel [[Interrupt]]
* Artikel [[Multitasking]]
{{Clear}}

== Anforderungen an Interrupt-Routinen ==

Um unliebsamen Überraschungen vorzubeugen, sollten einige Grundregeln bei der Implementierung der Interruptroutinen beachtet werden. Interruptroutinen sollten möglichst kurz und schnell abarbeitbar sein, daraus folgt:

* Keine umfangreichen Berechnungen innerhalb der Interruptroutine. (*)
* Keine langen Programmschleifen.
* Obwohl es möglich ist, während der Abarbeitung einer Interruptroutine andere oder sogar den gleichen Interrupt wieder zuzulassen, wird davon ohne genaue Kenntnis der internen Abläufe dringend abgeraten.

Interruptroutinen (ISRs) sollten also möglichst kurz sein und keine Schleifen mit vielen Durchläufen enthalten. Längere Operationen können meist in einen "Interrupt-Teil" in einer ISR und einen "Arbeitsteil" im Hauptprogramm aufgetrennt werden. Z.B. Speichern des Zustands aller Eingänge im EEPROM in bestimmten Zeitabständen: ISR-Teil: Zeitvergleich (Timer,RTC) mit Logzeit/-intervall. Bei Übereinstimmung ein globales Flag setzen (volatile bei Flag-Deklaration nicht vergessen, s.u.). Dann im Hauptprogramm prüfen, ob das Flag gesetzt ist. Wenn ja: die Daten im EEPROM ablegen und Flag löschen.

(*)
Hinweis:
Es gibt allerdings die seltene Situation, dass man gerade eingelesene
ADC-Werte sofort verarbeiten muss. Besonders dann, wenn man mehrere Werte sehr
schnell hintereinander bekommt. Dann bleibt einem nichts anderes übrig, als die
Werte noch in der ISR zu verarbeiten. Kommt aber sehr selten vor und sollte
durch geeignete Wahl des Systemtaktes bzw. Auswahl des Controllers vermieden werden!

== Interrupt-Quellen ==

Die folgenden Ereignisse können einen Interrupt auf einem AVR AT90S2313 auslösen, wobei die Reihenfolge der Auflistung auch die Priorität der Interrupts aufzeigt.

* Reset
* Externer Interrupt 0
* Externer Interrupt 1
* Timer/Counter 1 Capture Ereignis
* Timer/Counter 1 Compare Match
* Timer/Counter 1 Überlauf
* Timer/Counter 0 Überlauf
* UART Zeichen empfangen
* UART Datenregister leer
* UART Zeichen gesendet
* Analoger Komparator

Die Anzahl der möglichen Interruptquellen variiert zwischen den verschiedenen Microcontroller-Typen. Im Zweifel hilft ein Blick ins Datenblatt ("Interrupt Vectors").

== Register ==

Der AT90S2313 verfügt über 2 Register die mit den
Interrupts zusammen hängen.

{| class="wikitable"
|-
| '''GIMSK'''
| '''G'''eneral '''I'''nterrupt '''M'''ask '''R'''egister. 

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7 || 6|| 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| '''INT1''' || '''INT0''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-'''
|-
! R/W
| R/W || R/W || R || R || R || R || R || R
|-
! Initialwert
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0
|}

'''INT1''' (External '''Int'''errupt Request '''1''' Enable)
:Wenn dieses Bit gesetzt ist, wird ein Interrupt ausgelöst, wenn am '''INT1'''-Pin eine steigende oder fallende (je nach Konfiguration im '''MCUCR''') Flanke erkannt wird.
:Das Global Enable Interrupt Flag muss selbstverständlich auch gesetzt sein.
:Der Interrupt wird auch ausgelöst, wenn der Pin als Ausgang geschaltet ist. Auf diese Weise bietet sich die Möglichkeit, Software-Interrupts zu realisieren.

'''INT0''' (External '''Int'''errupt Request '''0''' Enable)
:Wenn dieses Bit gesetzt ist, wird ein Interrupt ausgelöst, wenn am '''INT0'''-Pin eine steigende oder fallende (je nach Konfiguration im '''MCUCR''') Flanke erkannt wird.
:Das Global Enable Interrupt Flag muss selbstverständlich auch gesetzt sein.
:Der Interrupt wird auch ausgelöst, wenn der Pin als Ausgang geschaltet ist. Auf diese Weise bietet sich die Möglichkeit, Software-Interrupts zu realisieren.

|-
| '''GIFR'''
| '''G'''eneral '''I'''nterrupt '''F'''lag '''R'''egister.

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7 || 6 || 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| '''INTF1''' || '''INTF0''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-'''
|-
! R/W
| R/W || R/W || R || R || R || R || R || R
|-
! Initialwert
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0
|}

'''INTF1''' (External '''Int'''errupt Flag '''1''')
:Dieses Bit wird gesetzt, wenn am '''INT1'''-Pin eine Interrupt-Kondition, entsprechend der Konfiguration, erkannt wird. Wenn das Global Enable Interrupt Flag gesetzt ist, wird die Interruptroutine angesprungen.
:Das Flag wird automatisch gelöscht, wenn die Interruptroutine beendet ist. Alternativ kann das Flag gelöscht werden, indem der Wert '''1(!)''' eingeschrieben wird.

'''INTF0''' (External '''Int'''errupt Flag '''0''')
:Dieses Bit wird gesetzt, wenn am '''INT0'''-Pin eine Interrupt-Kondition, entsprechend der Konfiguration, erkannt wird. Wenn das Global Enable Interrupt Flag gesetzt ist, wird die Interruptroutine angesprungen.
:Das Flag wird automatisch gelöscht, wenn die Interruptroutine beendet ist. Alternativ kann das Flag gelöscht werden, indem der Wert '''1(!)''' eingeschrieben wird.
|-
| '''MCUCR'''
| '''MCU''' '''C'''ontrol '''R'''egister.

Das MCU Control Register enthält Kontrollbits für allgemeine
MCU-Funktionen.

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7 || 6 || 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| '''-'''|| '''-'''|| '''SE'''|| '''SM'''|| '''ISC11'''|| '''ISC10'''|| '''ISC01'''|| '''ISC00'''
|-
! R/W
| R || R || R/W || R/W || R/W || R/W || R/W || R/W
|-
! Initialwert
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0

|}

'''SE''' ('''S'''leep '''E'''nable)
:Dieses Bit muss gesetzt sein, um den Controller mit dem '''SLEEP'''-Befehl in den Schlafzustand versetzen zu können.
:Um den Schlafmodus nicht irrtümlich einzuschalten, wird empfohlen, das Bit erst unmittelbar vor Ausführung des '''SLEEP'''-Befehls zu setzen.

'''SM''' ('''S'''leep '''M'''ode)
:Dieses Bit bestimmt der Schlafmodus.
:Ist das Bit gelöscht, so wird der '''Idle'''-Modus ausgeführt. Ist das Bit gesetzt, so wird der '''Power-Down'''-Modus ausgeführt. (für andere AVR Controller siehe Abschnitt "Sleep-Mode")

'''ISC11''', '''ISC10''' ('''I'''nterrupt '''S'''ense '''C'''ontrol '''1''' Bits)
:Diese beiden Bits bestimmen, ob die steigende oder die fallende Flanke für die Interrupterkennung am '''INT1'''-Pin ausgewertet wird.

:{| class="wikitable"
|-
! ISC11 || ISC10 || Bedeutung
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| Low Level an '''INT1''' erzeugt einen Interrupt.

Der Interrupt wird getriggert, solange der Pin auf 0 bleibt.
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| Reserviert
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| Die fallende Flanke an '''INT1''' erzeugt einen Interrupt.
|-
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| Die steigende Flanke an '''INT1''' erzeugt einen Interrupt.
|}

'''ISC01''', '''ISC00''' ('''I'''nterrupt '''S'''ense '''C'''ontrol '''0''' Bits)
:Diese beiden Bits bestimmen, ob die steigende oder die fallende Flanke für die Interrupterkennung am '''INT0'''-Pin ausgewertet wird.

:{| class="wikitable"
|-
! ISC01 || ISC00 || Bedeutung
|-
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| align="center" | 0
| Low Level an '''INT0''' erzeugt einen Interrupt.

Der Interrupt wird getriggert, solange der Pin auf 0 bleibt.
|-
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| Reserviert
|-
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| Die fallende Flanke an '''INT0''' erzeugt einen Interrupt.
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| Die steigende Flanke an '''INT0''' erzeugt einen Interrupt.
|}

|}

== Allgemeines über die Interrupt-Abarbeitung ==

Wenn ein Interrupt eintrifft, wird automatisch das '''Global Interrupt Enable''' Bit im Status Register '''SREG''' gelöscht und alle weiteren Interrupts unterbunden. Obwohl es möglich ist, zu diesem Zeitpunkt bereits wieder das GIE-bit zu setzen, wird dringend davon abgeraten. Dieses wird nämlich automatisch gesetzt, wenn die Interruptroutine beendet wird. Wenn in der Zwischenzeit weitere Interrupts eintreffen, werden die zugehörigen Interrupt-Bits gesetzt und die Interrupts bei Beendigung der laufenden Interrupt-Routine in der Reihenfolge ihrer Priorität ausgeführt. Dies kann
eigentlich nur dann zu Problemen führen, wenn ein hoch priorisierter Interrupt ständig und in kurzer Folge auftritt. Dieser sperrt dann möglicherweise alle anderen Interrupts mit niedrigerer Priorität. Dies ist einer der Gründe, weshalb die Interrupt-Routinen sehr kurz gehalten werden sollen.



== Interrupts mit dem AVR GCC Compiler (WinAVR) ==


Funktionen zur Interrupt-Verarbeitung werden in den Includedateien ''interrupt.h'' der avr-libc zur Verfügung gestellt (bei älterem Quellcode zusätzlich ''signal.h'').

<c>
// fuer sei(), cli() und ISR():
#include <avr/interrupt.h>
</c>

Das Makro '''sei()''' schaltet die Interrupts ein. Eigentlich wird nichts anderes gemacht, als das '''Global Interrupt Enable''' Bit im Status Register gesetzt.

<c>
sei();
</c>

Das Makro '''cli()''' schaltet die Interrupts aus, oder anders gesagt, das '''Global Interrupt Enable''' Bit im Status Register wird gelöscht.

<c>
cli();
</c>

Oft steht man vor der Aufgabe, dass eine Codesequenz nicht unterbrochen werden darf. Es liegt dann nahe, zu Beginn dieser Sequenz ein cli() und am Ende ein sei() einzufügen. Dies ist jedoch ungünstig, wenn die Interrupts vor Aufruf der Sequenz deaktiviert waren und danach auch weiterhin deaktiviert bleiben sollen. Ein sei() würde ungeachtet des vorherigen Zustands die Interrupts aktivieren, was zu unerwünschten Seiteneffekten führen kann. Die aus dem folgenden Beispiel ersichtliche Vorgehensweise ist in solchen Fällen vorzuziehen:

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <inttypes.h>

//...

void NichtUnterbrechenBitte(void)
{
uint8_t tmp_sreg; // temporaerer Speicher fuer das Statusregister

tmp_sreg = SREG; // Statusregister (also auch das I-Flag darin) sichern
cli(); // Interrupts global deaktivieren

/* hier "unterbrechnungsfreier" Code */

/* Beispiel Anfang
JTAG-Interface eines ATmega16 per Software deaktivieren
und damit die JTAG-Pins an PORTC für "general I/O" nutzbar machen
ohne die JTAG-Fuse-Bit zu aendern. Dazu ist eine "timed sequence"
einzuhalten (vgl Datenblatt ATmega16, Stand 10/04, S. 229):
Das JTD-Bit muss zweimal innerhalb von 4 Taktzyklen geschrieben
werden. Ein Interrupt zwischen den beiden Schreibzugriffen wuerde
die erforderliche Sequenz "brechen", das JTAG-Interface bliebe
weiterhin aktiv und die IO-Pins weiterhin für JTAG reserviert. */

MCUCSR |= (1<<JTD);
MCUCSR |= (1<<JTD); // 2 mal in Folge ,vgl. Datenblatt fuer mehr Information

/* Beispiel Ende */

SREG = tmp_sreg; // Status-Register wieder herstellen
// somit auch das I-Flag auf gesicherten Zustand setzen
}

void NichtSoGut(void)
{
cli();

/* hier "unterbrechnungsfreier" Code */

sei();
}

int main(void)
{
//...

cli();
// Interrupts global deaktiviert

NichtUnterbrechenBitte();
// auch nach Aufruf der Funktion deaktiviert

sei();
// Interrupts global aktiviert

NichtUnterbrechenBitte();
// weiterhin aktiviert
//...

/* Verdeutlichung der unguenstigen Vorgehensweise mit cli/sei: */
cli();
// Interrupts jetzt global deaktiviert

NichtSoGut();
// nach Aufruf der Funktion sind Interrupts global aktiviert
// dies ist mglw. ungewollt!
//...

}
</c>


Zu den aktivierten Interrupts ist eine Funktion zu programmieren, deren Code aufgerufen wird, wenn der betreffende Interrupt auftritt (Interrupt-Handler, Interrupt-Service-Routine). Dazu existiert die Definition (ein Makro) '''ISR'''.

=== ISR ===

(''ISR()'' ersetzt bei neueren Versionen der avr-libc ''SIGNAL()''. SIGNAL sollte nicht mehr genutzt werden, zur Portierung von SIGNAL nach ISR siehe den [[AVR-GCC-Tutorial#Anhang|Anhang]].)

<c>
#include <avr/interrupt.h>
//...
ISR(Vectorname) /* vormals: SIGNAL(siglabel) dabei Vectorname != siglabel ! */
{
/* Interrupt Code */
}
</c>

Mit ''ISR'' wird eine Funktion für die Bearbeitung eines Interrupts eingeleitet. Als Argument muss dabei die Benennung des entsprechenden Interruptvektors angegeben werden. Diese sind in den jeweiligen Includedateien IOxxxx.h zu finden. Die Bezeichnung entspricht dem Namen aus dem Datenblatt, bei dem die Leerzeichen durch Unterstriche ersetzt sind und ein ''_vect'' angehängt ist.

Als Beispiel ein Ausschnitt aus der Datei für den ATmega8 (bei WinAVR Standardinstallation in C:\WinAVR\avr\include\avr\iom8.h) in der neben den aktuellen Namen für ''ISR'' (*_vect) noch die Bezeichnungen für das inzwischen nicht mehr aktuelle ''SIGNAL'' (SIG_*) enthalten sind.

<c>
//...
/* $Id: iom8.h,v 1.13 2005/10/30 22:11:23 joerg_wunsch Exp $ */

/* avr/iom8.h - definitions for ATmega8 */
//...

/* Interrupt vectors */

/* External Interrupt Request 0 */
#define INT0_vect _VECTOR(1)
#define SIG_INTERRUPT0 _VECTOR(1)

/* External Interrupt Request 1 */
#define INT1_vect _VECTOR(2)
#define SIG_INTERRUPT1 _VECTOR(2)

/* Timer/Counter2 Compare Match */
#define TIMER2_COMP_vect _VECTOR(3)
#define SIG_OUTPUT_COMPARE2 _VECTOR(3)

/* Timer/Counter2 Overflow */
#define TIMER2_OVF_vect _VECTOR(4)
#define SIG_OVERFLOW2 _VECTOR(4)

/* Timer/Counter1 Capture Event */
#define TIMER1_CAPT_vect _VECTOR(5)
#define SIG_INPUT_CAPTURE1 _VECTOR(5)

/* Timer/Counter1 Compare Match A */
#define TIMER1_COMPA_vect _VECTOR(6)
#define SIG_OUTPUT_COMPARE1A _VECTOR(6)

/* Timer/Counter1 Compare Match B */
#define TIMER1_COMPB_vect _VECTOR(7)
#define SIG_OUTPUT_COMPARE1B _VECTOR(7)

//...
</c>


Mögliche Funktionsrümpfe für Interruptfunktionen sind zum Beispiel:

<c>
#include <avr/interrupt.h>
/* veraltet: #include <avr/signal.h> */

ISR(INT0_vect) /* veraltet: SIGNAL(SIG_INTERRUPT0) */
{
/* Interrupt Code */
}

ISR(TIMER0_OVF_vect) /* veraltet: SIGNAL(SIG_OVERFLOW0) */
{
/* Interrupt Code */
}

ISR(USART_RXC_vect) /* veraltet: SIGNAL(SIG_UART_RECV) */
{
/* Interrupt Code */
}

// und so weiter und so fort...
</c>

Auf die korrekte Schreibweise der Vektorbezeichnung ist zu achten. Der gcc-Compiler prüft erst ab Version 4.x, ob ein Signal/Interrupt der angegebenen Bezeichnung tatsächlich in der Includedatei definiert ist und gibt andernfalls eine Warnung aus. Bei WinAVR (ab 2/2005) wurde die Überprüfung auch in den mitgelieferten Compiler der Version 3.x integriert. Aus dem gcc-Quellcode Version 3.x selbst erstellte Compiler enthalten die Prüfung nicht (vgl. [[AVR-GCC]]).

Während der Ausführung der Funktion sind alle weiteren Interrupts automatisch gesperrt. Beim Verlassen der Funktion werden die Interrupts wieder zugelassen.

Sollte während der Abarbeitung der Interruptroutine ein weiterer Interrupt (gleiche oder andere Interruptquelle) auftreten, so wird das entsprechende Bit im zugeordneten Interrupt Flag Register gesetzt und die entsprechende Interruptroutine automatisch nach dem Beenden der aktuellen Funktion aufgerufen.

Ein Problem ergibt sich eigentlich nur dann, wenn während der Abarbeitung der aktuellen Interruptroutine mehrere gleichartige Interrupts auftreten. Die entsprechende Interruptroutine wird im Nachhinein zwar aufgerufen jedoch wissen wir nicht, ob nun der entsprechende Interrupt einmal, zweimal oder gar noch öfter aufgetreten ist. Deshalb soll hier noch einmal betont werden, dass Interruptroutinen so schnell wie nur irgend möglich wieder verlassen werden sollten.

=== Unterbrechbare Interruptroutinen ===

"Faustregel": im Zweifel '''ISR'''. Die nachfolgend beschriebene Methode nur dann verwenden, wenn man sich über die unterschiedliche Funktionsweise im Klaren ist.

<c>
#include <avr/interrupt.h>

ISR(XXX,ISR_NOBLOCK) /* veraltet: INTERRUPT(SIG_OVERFLOW0) */
{
/* Interrupt-Code */
}
</c>

Hierbei steht XXX für den oben beschriebenen Namen des Vektors (also z. B. ''TIMER0_OVF_vect''). Der Unterschied im Vergleich zu einer herkömmlichen ISR ist, dass hier beim Aufrufen der Funktion das '''Global Enable Interrupt''' Bit durch Einfügen einer SEI-Anweisung direkt wieder gesetzt und somit alle Interrupts zugelassen werden – auch XXX-Interrupts.

Bei unsachgemässer Handhabung kann dies zu erheblichen Problemen wie einem Stack-Overflow oder anderen unerwarteten Effekten führen und sollte wirklich nur dann eingesetzt werden, wenn man sich sicher ist, das Ganze auch im Griff zu haben.

Insbesondere sollte möglichst am ISR-Anfang die auslösende IRQ-Quelle deaktiviert und erst am Ende der ISR wieder aktiviert werden. Robuster als die Verwendung einer NOBLOCK-ISR ist daher folgender ISR-Aufbau:

<c>
#include <avr/interrupt.h>

ISR (XXX)
{
// Implementiere die ISR ohne zunaechst weitere IRQs zuzulassen

<<Dektiviere die XXX-IRQ>>

// Erlaube alle Interrupts (ausser XXX)
sei();

//... Code ...

// IRQs global deaktivieren um die XXX-IRQ wieder gefahrlos
// aktivieren zu koennen
cli();

<<Aktiviere die XXX-IRQ>>
}
</c>
Auf diese Weise kann sich die XXX-IRQ nicht selbst unterbrechen, was zu einer Art Endlosschleife führen würde.

Siehe auch: Hinweise in [[AVR-GCC]]

siehe dazu: http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__avr__interrupts.html

== Datenaustausch mit Interrupt-Routinen ==

Variablen, die sowohl in Interrupt-Routinen (ISR = Interrupt Service Routine(s)) als auch vom übrigen Programmcode geschrieben oder gelesen werden, müssen mit einem '''volatile''' deklariert werden. Damit wird dem Compiler mitgeteilt, dass der Inhalt der Variablen vor jedem Lesezugriff aus dem Speicher gelesen und nach jedem Schreibzugriff in den Speicher geschrieben wird. Ansonsten könnte der Compiler den Code so optimieren, dass der Wert der Variablen nur in Prozessorregistern zwischengespeichert wird, die nichts von der Änderung woanders mitbekommen.

Zur Veranschaulichung ein Codefragment für eine Tastenentprellung mit Erkennung einer "lange gedrückten" Taste.

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <stdint.h>
//...

// Schwellwerte
// Entprellung:
#define CNTDEBOUNCE 10
// "lange gedrueckt:"
#define CNTREPEAT 200

// hier z. B. Taste an Pin2 PortA "active low" = 0 wenn gedrueckt
#define KEY_PIN PINA
#define KEY_PINNO PA2

// beachte: volatile!
volatile uint8_t gKeyCounter;

// Timer-Compare Interrupt ISR, wird z.B. alle 10ms ausgefuehrt
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
// hier wird gKeyCounter veraendert. Die übrigen
// Programmteile müssen diese Aenderung "sehen":
// volatile -> aktuellen Wert immer in den Speicher schreiben
if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
if (gKeyCounter < CNTREPEAT) gKeyCounter++;
}
else {
gKeyCounter = 0;
}
}

//...

int main(void)
{
//...
/* hier: Initialisierung der Ports und des Timer-Interrupts */
//...
// hier wird auf gKeyCounter zugegriffen. Dazu muss der in der
// ISR geschriebene Wert bekannt sein:
// volatile -> aktuellen Wert immer aus dem Speicher lesen
if ( gKeyCounter > CNTDEBOUNCE ) { // Taste mind. 10*10 ms "prellfrei"
if (gKeyCounter == CNTREPEAT) {
/* hier: Code fuer "Taste lange gedrueckt" */
}
else {
/* hier: Code fuer "Taste kurz gedrueckt" */
}
}
//...
}
</c>

Wird innerhalb einer ISR mehrfach auf eine mit volatile deklarierte Variable zugegriffen, wirkt sich dies ungünstig auf die Verarbeitungsgeschwindigkeit aus, da bei jedem Zugriff mit dem Speicherinhalt abgeglichen wird. Da bei AVR-Controllern ''innerhalb'' einer ISR keine Unterbrechungen zu erwarten sind, bietet es sich an, einen Zwischenspeicher in Form einer lokalen Variable zu verwenden, deren Inhalt zu Beginn und am Ende mit dem der volatile Variable synchronisiert wird. Lokale Variable werden bei eingeschalteter Optimierung mit hoher Wahrscheinlichkeit in Prozessorregistern verwaltet und der Zugriff darauf ist daher nur mit wenigen internen Operationen verbunden. Die ISR aus dem vorherigen Beispiel lässt sich so optimieren:

<c>
//...
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
uint8_t tmp_kc;

tmp_kc = gKeyCounter; // Uebernahme in lokale Arbeitsvariable

if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
if (tmp_kc < CNTREPEAT) {
tmp_kc++;
}
}
else {
tmp_kc = 0;
}

gKeyCounter = tmp_kc; // Zurueckschreiben
}
//...
</c>

Zum Vergleich die Disassemblies (Ausschnitte der "lss-Dateien", compiliert für ATmega162) im Anschluss. Man erkennt den viermaligen Zugriff auf die Speicheraddresse von ''gKeyCounter'' (hier 0x032A) in der ISR ohne "Cache"-Variable und den zweimaligen Zugriff in der Variante mit Zwischenspeicher. Im Beispiel ist der Vorteil gering, bei komplexeren Routinen kann die Zwischenspeicherung in lokalen Variablen jedoch zu deutlicheren Verbesserungen führen.

<pre>
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
86a: 1f 92 push r1
86c: 0f 92 push r0
86e: 0f b6 in r0, 0x3f ; 63
870: 0f 92 push r0
872: 11 24 eor r1, r1
874: 8f 93 push r24
if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
876: ca 99 sbic 0x19, 2 ; 25
878: 0a c0 rjmp .+20 ; 0x88e <__vector_13+0x24>
if (gKeyCounter < CNTREPEAT) gKeyCounter++;
87a: 80 91 2a 03 lds r24, 0x032A
87e: 88 3c cpi r24, 0xC8 ; 200
880: 40 f4 brcc .+16 ; 0x892 <__vector_13+0x28>
882: 80 91 2a 03 lds r24, 0x032A
886: 8f 5f subi r24, 0xFF ; 255
888: 80 93 2a 03 sts 0x032A, r24
88c: 02 c0 rjmp .+4 ; 0x892 <__vector_13+0x28>
}
else {
gKeyCounter = 0;
88e: 10 92 2a 03 sts 0x032A, r1
892: 8f 91 pop r24
894: 0f 90 pop r0
896: 0f be out 0x3f, r0 ; 63
898: 0f 90 pop r0
89a: 1f 90 pop r1
89c: 18 95 reti
</pre>

<pre>
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
86a: 1f 92 push r1
86c: 0f 92 push r0
86e: 0f b6 in r0, 0x3f ; 63
870: 0f 92 push r0
872: 11 24 eor r1, r1
874: 8f 93 push r24
uint8_t tmp_kc;

tmp_kc = gKeyCounter;
876: 80 91 2a 03 lds r24, 0x032A

if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
87a: ca 9b sbis 0x19, 2 ; 25
87c: 02 c0 rjmp .+4 ; 0x882 <__vector_13+0x18>
87e: 80 e0 ldi r24, 0x00 ; 0
880: 03 c0 rjmp .+6 ; 0x888 <__vector_13+0x1e>
if (tmp_kc < CNTREPEAT) {
882: 88 3c cpi r24, 0xC8 ; 200
884: 08 f4 brcc .+2 ; 0x888 <__vector_13+0x1e>
tmp_kc++;
886: 8f 5f subi r24, 0xFF ; 255
}
}
else {
tmp_kc = 0;
}

gKeyCounter = tmp_kc;
888: 80 93 2a 03 sts 0x032A, r24
88c: 8f 91 pop r24
88e: 0f 90 pop r0
890: 0f be out 0x3f, r0 ; 63
892: 0f 90 pop r0
894: 1f 90 pop r1
896: 18 95 reti
</pre>

=== volatile und Pointer ===

Bei '''volatile''' in Verbindung mit Pointern ist zu beachten, ob der Pointer selbst oder die Variable, auf die der Pointer zeigt, '''volatile''' ist.

<c>
volatile uint8_t *a; // das Ziel von a ist volatile

uint8_t *volatile a; // a selbst ist volatile
</c>

Falls der Pointer volatile ist (zweiter Fall im Beispiel), ist zu beachten, dass der Wert des Pointers, also eine Speicheradresse, intern in mehr als einem Byte verwaltet wird. Lese- und Schreibzugriffe im Hauptprogramm (außerhalb von Interrupt-Routinen) sind daher so zu implementieren, dass alle Teilbytes der Adresse konsistent bleiben, vgl. dazu den folgenden Abschnitt.

=== Variablen größer 1 Byte ===

Bei Variablen größer ein Byte, auf die in Interrupt-Routinen und im Hauptprogramm zugegriffen wird, muss darauf geachtet werden, dass die Zugriffe auf die einzelnen Bytes außerhalb der ISR nicht durch einen Interrupt unterbrochen werden. (Allgemeinplatz: AVRs sind 8-bit Controller). Zur Veranschaulichung ein Codefragment:

<c>
//...
volatile uint16_t gMyCounter16bit;
//...
ISR(...)
{
//...
gMyCounter16Bit++;
//...
}

int main(void)
{
uint16_t tmpCnt;
//...
// nicht gut: Mglw. hier ein Fehler, wenn ein Byte von MyCounter
// schon in tmpCnt kopiert ist aber vor dem Kopieren des zweiten Bytes
// ein Interrupt auftritt, der den Inhalt von MyCounter verändert.
tmpCnt = gMyCounter16bit;

// besser: Änderungen "außerhalb" verhindern -> alle "Teilbytes"
// bleiben konsistent
cli(); // Interrupts deaktivieren
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
sei(); // wieder aktivieren

// oder: vorheriger Status des globalen Interrupt-Flags bleibt erhalten
uint8_t sreg_tmp;
sreg_tmp = SREG; /* Sichern */
cli()
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
SREG = sreg_tmp; /* Wiederherstellen */

// oder: mehrfach lesen, bis man konsistente Daten hat
uint16_t count1 = gMyCounter16Bit;
uint16_t count2 = gMyCounter16Bit;
while (count1 != count2) {
count1 = count2;
count2 = gMyCounter16Bit;
}
tmpCnt = count1;
//...
}
</c>

Die avr-libc bietet ab Version 1.6.0(?) einige Hilfsfunktionen/Makros, mit der im Beispiel oben gezeigten Funktionalität, die zusätzlich auch sogenannte [http://en.wikipedia.org/wiki/Memory_barrier memory barriers] beinhalten. Diese stehen nach #include <util/atomic.h> zur Verfügung.
<c>
//...
#include <util/atomic.h>
//...

// analog zu cli, Zugriff, sei:
ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_FORCEON) {
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
}

// oder:

// analog zu Sicherung des SREG, cli, Zugriff und Zurückschreiben des SREG:
ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_RESTORESTATE) {
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
}

//...
</c>

* siehe auch [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__util__atomic.html Dokumentation der avr-libc zu atomic.h]

== Interrupt-Routinen und Registerzugriffe ==

Falls Register sowohl im Hauptprogramm als auch in Interrupt-Routinen verändert werden, ist darauf zu achten, dass diese Zugriffe sich nicht überlappen. Nur wenige Anweisungen lassen sich in sogenannte "atomare" Zugriffe übersetzen, die nicht von Interrupt-Routinen unterbrochen werden können.

Zur Veranschaulichung eine Anweisung, bei der ein Bit und im Anschluss drei Bits in einem Register gesetzt werden:

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

int main(void)
{
//...
PORTA |= (1<<PA0);

PORTA |= (1<<PA2)|(1<<PA3)|(1<<PA4);
//...
}
</c>

Der Compiler übersetzt diese Anweisungen für einen ATmega128 bei Optimierungsstufe "S" nach:

<div class="code"><pre>
...
PORTA |= (1<<PA0);
d2: d8 9a sbi 0x1b, 0 ; 27 (a)

PORTA |= (1<<PA2)|(1<<PA3)|(1<<PA4);
d4: 8b b3 in r24, 0x1b ; 27 (b)
d6: 8c 61 ori r24, 0x1C ; 28 (c)
d8: 8b bb out 0x1b, r24 ; 27 (d)
...
</pre></div>

Das Setzen des einzelnen Bits wird bei eingeschalteter Optimierung für Register im unteren Speicherbereich in eine einzige Assembler-Anweisung (sbi) übersetzt und ist nicht anfällig für Unterbrechungen durch Interrupts. Die Anweisung zum Setzen von drei Bits wird jedoch in drei abhängige Assembler-Anweisungen übersetzt und bietet damit zwei "Angriffspunkte" für Unterbrechungen. Eine Interrupt-Routine könnte nach dem Laden des Ausgangszustands in den Zwischenspeicher (hier Register 24) den Wert des Registers ändern, z. B. ein Bit löschen. Damit würde der Zwischenspeicher nicht mehr mit dem tatsächlichen Zustand übereinstimmen aber dennoch nach der Bitoperation (hier ori) in das Register zurückgeschrieben.

Beispiel: PORTA sei anfangs 0b00000000. Die erste Anweisung (a) setzt Bit 0, PORTA ist danach 0b00000001. Nun wird im ersten Teil der zweiten Anweisung der Portzustand in ein Register eingelesen (b). Unmittelbar darauf (vor (c)) "feuert" ein Interrupt, in dessen Interrupt-Routine Bit 0 von PORTA gelöscht wird. Nach Verlassen der Interrupt-Routine hat PORTA den Wert 0b00000000. In den beiden noch folgenden Anweisungen des Hauptprogramms wird nun der zwischengespeicherte "alte" Zustand 0b00000001 mit 0b00011100 logisch-oder-verknüft (c) und das Ergebnis 0b00011101 in PortA geschrieben (d). Obwohl zwischenzeitlich Bit 0 gelöscht wurde, ist es nach (d) wieder gesetzt.

Lösungsmöglichkeiten:
* Register ohne besondere Vorkehrungen nicht in Interruptroutinen ''und'' im Hauptprogramm verändern.
* Interrupts vor Veränderungen in Registern, die auch in ISRs verändert werden, deaktivieren ("cli").
* Bits einzeln löschen oder setzen. sbi und cbi können nicht unterbrochen werden. Vorsicht: nur Register im unteren Speicherbereich sind mittels sbi/cbi ansprechbar. Der Compiler kann nur für diese sbi/cbi-Anweisungen generieren. Für Register außerhalb dieses Adressbereichs ("Memory-Mapped"-Register) werden auch zur Manipulation einzelner Bits abhängige Anweisungen erzeugt (lds,...,sts).

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Frequently asked Questions/Fragen Nr. 1 und 8. (Stand: avr-libc Vers. 1.0.4)

== Interruptflags löschen ==

Beim Löschen von Interruptflags haben AVRs eine Besonderheit, die auch im Datenblatt beschrieben ist: Es wird zum Löschen eine 1 in das betreffende Bit geschrieben.

Hinweis: Dazu '''nicht''' übliche bitweise VerODERung nehmen, sondern eine direkte Zuweisung machen ([http://www.mikrocontroller.net/topic/171148#1640133 Erklärung]).

== Was macht das Hauptprogramm? ==

Im einfachsten (Ausnahme-)Fall gar nichts mehr. Es ist also durchaus denkbar, ein Programm zu schreiben, welches in der main-Funktion lediglich noch die Interrupts aktiviert und dann in einer Endlosschleife verharrt. Sämtliche Funktionen werden dann in den ISRs abgearbeitet. Diese Vorgehensweise ist jedoch bei den meisten Anwendungen schlecht: man verschenkt eine Verarbeitungsebene und hat außerdem möglicherweise Probleme durch Interruptroutinen, die zu viel Verarbeitungszeit benötigen.

Normalerweise wird man in den Interruptroutinen nur die bei Auftreten des jeweiligen Interruptereignisses unbedingt notwendigen Operationen ausführen lassen. Alle weniger kritischen Aufgaben werden dann im Hauptprogramm abgearbeitet.

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Interrupts and Signals

= Sleep-Modes =

AVR Controller verfügen über eine Reihe von sogenannten [[Sleep Mode |''Sleep-Modes'']] ("Schlaf-Modi"). Diese ermöglichen es, Teile des Controllers abzuschalten. Zum Einen kann damit besonders bei Batteriebetrieb Strom gespart werden, zum Anderen können Komponenten des Controllers deaktiviert werden, die die Genauigkeit des Analog-Digital-Wandlers bzw. des Analog-Comparators negativ beeinflussen. Der Controller wird durch Interrupts aus dem Schlaf geweckt. Welche Interrupts den jeweiligen Schlafmodus beenden, ist einer Tabelle im Datenblatt des jeweiligen Controllers zu entnehmen.
Die Funktionen (eigentlich Makros) der avr-libc stehen nach Einbinden der header-Datei ''sleep.h'' zur Verfügung.

;set_sleep_mode (uint8_t mode): Setzt den Schlafmodus, der bei Aufruf von sleep() aktiviert wird. In sleep.h sind einige Konstanten definiert (z. B. SLEEP_MODE_PWR_DOWN). Die definierten Modi werden jedoch nicht alle von sämtlichten AVR-Controllern unterstützt.
;sleep_enable(): Aktiviert den gesetzten Schlafmodus, versetzt den Controller aber noch nicht in den Schlafmodus
;sleep_cpu(): Versetzt den Controller in den Schlafmodus .sleep_cpu wird im Prinzip durch die Assembler-Anweisung ''sleep'' ersetzt.
;sleep_disable(): Deaktiviert den gesetzten Schlafmodus
;sleep_mode(): Versetzt den Controller in den mit set_sleep_mode gewählten Schlafmodus. Das Makro entspricht sleep_enable()+sleep_cpu()+sleep_disable(), beinhaltet also nicht die Aktivierung von Interrupts (besser nicht benutzen).

Bei Anwendung von sleep_cpu() müssen Interrupts also bereits freigeben sein (sei()), da der Controller sonst nicht mehr "aufwachen" kann. sleep_mode() ist nicht geeignet für die Verwendung in ISR Interrupt-Service-Routinen, da bei deren Abarbeitung Interrupts global deaktiviert sind und somit auch die möglichen "Aufwachinterrupts". Abhilfe: stattdessen sleep_enable(), sei(), sleep_cpu(), sleep_disable() und evtl. cli() verwenden (vgl. Dokumentation der avr-libc).

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/sleep.h>

int main(void)
{
...

while (1) {
...
set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);
sleep_mode();

// Code hier wird erst nach Auftreten eines entsprechenden
// "Aufwach-Interrupts" verarbeitet
...
}
}
</c>

In älteren Versionenen der avr-libc wurden nicht alle AVR-Controller durch die sleep-Funktionen richtig angesteuert. Mit avr-libc 1.2.0 wurde die Anzahl der unterstützten Typen jedoch deutlich erweitert. Bei nicht-unterstützten Typen erreicht man die gewünschte Funktionalität durch direkte "[[Bitmanipulation]]" der entsprechenden Register (vgl. Datenblatt) und Aufruf des Sleep-Befehls via Inline-Assembler oder sleep_cpu():

<c>
#include <avr/io.h>
...
// Sleep-Mode "Power-Save" beim ATmega169 "manuell" aktivieren
SMCR = (3<<SM0) | (1<<SE);
asm volatile ("sleep"::); // alternativ sleep_cpu() aus sleep.h
...
</c>

== Sleep Modi ==
Zu beachten ist, dass unterschiedliche Prozessoren aus der AVR Familie unterschiedliche Sleep-Modi unterstützen oder nicht unterstützen. Auskunft über die tatsächlichen Gegebenheiten gibt, wie immer, das zum Prozessor gehörende Datenblatt. Die unterschiedlichen Modi unterscheiden sich dadurch, welche Bereiche des Prozessors abgeschaltet werden. Damit korrespondiert unmittelbar welche Möglichkeiten es gibt, den Prozessor aus den jeweiligen Sleep Modus wieder aufzuwecken.

;Idle Mode (SLEEP_MODE_IDLE): Die CPU kann durch SPI, USART, Analog Comperator, ADC, TWI, Timer, Watchdog und irgendeinen anderen Interrupt wieder aufgeweckt werden.

;ADC Noise Reduction Mode (SLEEP_MODE_ADC): In diesem Modus liegt das Hauptaugenmerk darauf, die CPU soweit stillzulegen, dass der ADC möglichst keine Störungen aus dem inneren der CPU auffangen kann. Aufwachen aus diesem Modus kann ausgelöst werden durch den ADC, externe Interrupts, TWI, Timer und Watchdog.

;Power-Down Mode (SLEEP_MODE_PWR_DOWN): In diesem Modus wird ein externer Oszillator (Quarz, Quarzoszillator) gestoppt. Geweckt werden kann die CPU durch einen externen Level Interrupt, TWI, Watchdog, Brown-Out-Reset

;Power-Save-Mode (SLEEP_MODE_PWR_SAVE): Power-Save ist identisch zu Power-Down mit einer Ausnahme: Ist der Timer 2 auf die Verwendung eines externen Taktes konfiguriert, so läuft dieser Timer auch im Power-Save weiter und kann die CPU mit einem Interrupt aufwecken.

;Standby-Mode (SLEEP_MODE_STANDBY, SLEEP_MODE_EXT_STANDBY): Voraussetzung für den Standby-Modus ist die Verwendung eines Quarzes oder eines Quarzoszillators (also einer externen Taktquelle). Ansonsten ist dieser Modus identisch zum Power-Down Modus. Vorteil dieses Modus ist eine kürzere Aufwachzeit.

Siehe auch:
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Power Management and Sleep-Modes
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/96369#832712 Forenbeitrag] zur "Nichtverwendung" von sleep_mode in ISRs.

= Zeiger =
Zeiger (engl. /pointer/), d.h. Variablen, die die Adresse von Daten oder Funktionen enthalten, belegen 16 bits. Das hängt mit dem addressierbaren Speicherbereich zusammen, und gcc reserviert dann den entsprechenden Platz.
Ggf. ist es also günstiger, Indizes auf Arrays (Listen) zu verwenden, so dass der GCC für die Zeigerarithmetik den erforderlichen RAM nur temporär benötigt.

Siehe auch: [[Zeiger]]

= Speicherzugriffe =

Atmel AVR-Controller verfügen typisch über drei Speicher:

* [[RAM]]: Im RAM (genauer statisches RAM/SRAM) wird vom gcc-Compiler Platz für Variablen reserviert. Auch der Stack befindet sich im RAM. Dieser Speicher ist "flüchtig", d.h. der Inhalt der Variablen geht beim Ausschalten oder einem Zusammenbruch der Spannungsversorgung verloren.

* Programmspeicher: Ausgeführt als FLASH-Speicher, seitenweise wiederbeschreibbar. Darin ist das Anwendungsprogramm abgelegt.

* [[EEPROM]]: Nichtflüchtiger Speicher, d.h. der einmal geschriebene Inhalt bleibt auch ohne Stromversorgung erhalten. Byte-weise schreib/lesbar. Im EEPROM werden typischerweise gerätespezifische Werte wie z. B. Kalibrierungswerte von Sensoren abgelegt.

Einige AVRs besitzen keinen RAM-Speicher, lediglich die Register können als "Arbeitsvariablen"
genutzt werden. Da die Anwendung des avr-gcc auf solch "kleinen" Controllern ohnehin selten sinnvoll ist und auch nur bei einigen RAM-losen Typen nach [http://lightner.net/avr/ATtinyAvrGcc.html "Bastelarbeiten"] möglich ist, werden diese Controller hier nicht weiter berücksichtigt. Auch EEPROM-Speicher ist nicht auf allen Typen verfügbar. Generell sollten die nachfolgenden Erläuterungen auf alle ATmega-Controller und die größeren AT90-Typen übertragbar sein. Für die Typen ATtiny2313, ATtiny26 und viele weitere der "ATtiny-Reihe" gelten die Ausführungen ebenfalls.

Siehe auch:
* [[Binäre Daten zum Programm hinzufügen]]
== RAM ==

Die Verwaltung des RAM-Speichers erfolgt durch den Compiler, im Regelfall ist beim Zugriff auf Variablen im RAM nichts Besonderes zu beachten. Die Erläuterungen in jedem brauchbaren C-Buch gelten auch für den vom avr-gcc-Compiler erzeugten Code.

Um Speicher dynamisch (während der Laufzeit) zu reservieren, kann '''malloc()''' verwendet werden. malloc(size) "alloziert" (~reserviert) einen gewissen Speicherblock mit '''size''' Bytes. Ist kein Platz für den neuen Block, wird NULL (0) zurückgegeben.

Wird der angelegte Block zu klein (groß), kann die Größe mit realloc() verändert werden. Den allozierten Speicherbereich kann man mit free() wieder freigeben. Wenn das Freigeben eines Blocks vergessen wird spricht man von einem "Speicherleck" (memory leak).

malloc() legt Speicherblöcke im '''Heap''' an, belegt man zuviel Platz, dann wächst der Heap zu weit nach oben und überschreibt den Stack, und der Controller kommt in Teufels Küche. Das kann leider nicht nur passieren wenn man insgesamt zu viel Speicher anfordert, sondern auch wenn man Blöcke unterschiedlicher Größe in ungünstiger Reihenfolge alloziert/freigibt (siehe Artikel [[Heap-Fragmentierung]]). Aus diesem Grund sollte man malloc() auf Mikrocontrollern sehr sparsam (am besten gar nicht) verwenden.

Beispiel zur Verwendung von malloc():
<c>
#include <stdlib.h>

void foo(void) {
// neuen speicherbereich anlegen,
// platz für 10 uint16
uint16_t* pBuffer = malloc(10 * sizeof(uint16_t));

// darauf zugreifen, als wärs ein gewohnter Buffer
pBuffer[2] = 5;

// Speicher (unbedingt!) wieder freigeben
free(pBuffer);
}
</c>

Wenn (wie in obigem Beispiel) dynamischer Speicher nur für die Dauer einer Funktion benötigt und am Ende wieder freigegeben wird, bietet es sich an, statt malloc() '''alloca()''' zu verwenden. Der Unterschied zu malloc() ist, dass der Speicher auf dem Stack reserviert wird, und beim Verlassen der Funktion automatisch wieder freigegeben wird. Es kann somit kein Speicherleck und keine Fragmentierung entstehen.

siehe auch:
* http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/malloc.html

== Programmspeicher (Flash) ==

Ein Zugriff auf Konstanten im Programmspeicher ist mittels avr-gcc nicht "transparent" möglich. D.h. es sind besondere Zugriffsfunktionen erforderlich, um Daten aus diesem Speicher zu lesen. Grundsätzlich basieren alle Zugriffsfunktionen auf der Assembler-Anweisung lpm (load program memory, bei AVR Controllern mit mehr als 64kB Flash auch elpm). Die Standard-Laufzeitbibliothek des avr-gcc (die avr-libc) stellt diese Funktionen nach Einbinden der Header-Datei pgmspace.h zur Verfügung. Mit diesen Funktionen können einzelne Bytes, Datenworte (16bit) und Datenblöcke gelesen werden.

Deklarationen von Variablen im Flash-Speicher werden durch das "Attribut" PROGMEM ergänzt. Lokale Variablen (eigentlich Konstanten) innerhalb von Funktionen können ebenfalls im Programmspeicher abgelegt werden. Dazu ist bei der Definition jedoch ein ''static'' voranzustellen, da solche "Variablen" nicht auf dem Stack bzw. (bei Optimierung) in Registern verwaltet werden können. Der Compiler "wirft" eine Warnung falls static fehlt.

<c>
#include <stdint.h>
#include <avr/pgmspace.h>

/* Byte */
const uint8_t pgmFooByte PROGMEM = 123;

/* Wort */
const uint16_t pgmFooWort PROGMEM = 12345;

/* Byte-Array */
const uint8_t pgmFooByteArray1[] PROGMEM = { 18, 3 ,70 };
const uint8_t pgmFooByteArray2[] PROGMEM = { 30, 7 ,79 };

/* Zeiger */
const uint8_t * const pgmPointerToArray1 PROGMEM = pgmFooByteArray1;
const uint8_t * const pgmPointerArray[] PROGMEM = { pgmFooByteArray1, pgmFooByteArray2 };

void foo(void)
{
static const uint8_t pgmTestByteLocal PROGMEM = 0x55;
static const char pgmTestStringLocal[] PROGMEM = "im Flash";
// so nicht (static fehlt)
// char pgmTestStringLocalFalsch [] PROGMEM = "so nicht";
}
</c>

=== Byte lesen ===

Mit der Funktion pgm_read_byte aus pgmspace.h erfolgt der Zugriff auf die Daten. Parameter der Funktion ist die Adresse des Bytes im Flash-Speicher.

<c>
#include <avr/pgmspace.h>

const uint8_t pgmFooByte PROGMEM = 123;
const uint8_t pgmFooByteArray1[] PROGMEM = { 18, 3, 70 };

void foo (coid)
// Wert der Ram-Variablen myByte auf den Wert von pgmFooByte setzen:
uint8_t myByte;

myByte = pgm_read_byte (&pgmFooByte);
// myByte hat nun den Wert 123

// Schleife ueber ein Array aus Byte-Werten im Flash
uint8_t i;

for (i = 0; i < 3; i++)
{
myByte = pgm_read_byte (&pgmFooByteArray1[i]);
// mach was mit myByte
}
</c>

=== Wort lesen ===

Für "einfache" 16-Bit breite Variablen erfolgt der Zugriff analog zum Byte-Beispiel, jedoch mit der Funktion <code>pgm_read_word</code>:

<c>
const uint16_t pgmFooWort PROGMEM = 12345;

uint16_t myWord = pgm_read_word (&pgmFooWort);
</c>

Zeiger auf Werte im Flash sind ebenfalls 16 Bits "groß".
Damit ist der mögliche Speicherbereich für "Flash-Konstanten" auf 64kB begrenzt.<ref>Einige avr-libc/pgmspace-Funktionen ermöglichen den Lesezugriff auf den gesamten Flash-Speicher, intern via Assembler Anweisung ELPM. Die Initialisierungswerte des Speicherinhalts jenseits der 64kB-Marke müssen dann jedoch auf anderem Weg angelegt werden, d.h. nicht per PROGMEM; evtl. eigene Section und Linker-Optionen. Alt und nicht ganz korrekt: Die avr-libc pgmspace-Funktionen unterstützen nur die unteren 64kB Flash bei Controllern mit mehr als 64kB.</ref>

<c>
const uint8_t *ptrToArray;

ptrToArray = (const uint8_t*) pgm_read_word (&pgmPointerToArray1);
// ptrToArray enthält nun die Startadresse des Byte-Arrays pgmFooByteArray1
// Allerdings würde ein direkter Zugriff mit diesem Pointer (z. B. temp=*ptrToArray)
// nicht den Inhalt von pgmFooByteArray1[0] liefern, sondern von einer Speicherstelle
// im RAM, die die gleiche Adresse hat wie pgmFooByteArray1[0]
// Daher muss nun die Funktion pgm_read_byte() benutzt werden, die die in ptrToArray
// enthaltene Adresse benutzt und auf das Flash zugreift.

for (i = 0; i < 3; i++)
{
myByte = pgm_read_byte (ptrToArray+i);
// mach was mit myByte... (18, 3, 70)
}

ptrToArray = (const uint8_t*) pgm_read_word (&pgmPointerArray[1]);

// ptrToArray enthält nun die Adresse des ersten Elements des Byte-Arrays pgmFooByteArray2
// da im zweiten Element des Pointer-Arrays pgmPointerArray die Adresse
// von pgmFooByteArray2 abgelegt ist

for (i = 0; i < 3; i++)
{
myByte = pgm_read_byte (ptrToArray+i);
// mach was mit myByte... (30, 7, 79)
}
</c>

=== Block lesen ===
In den Standard-Flash Funktionen ist keine der pgm_read_xxxx Nomenklatur folgenden Funktion enthalten, die einen kompletten Block ausliest. Die enstprechende Funktion ist eine Variante von memcpy und heißt memcpy_P().

Was diese Funktion im Prinzip macht, ist einfach in einer Schleife pgm_read_byte zu benutzen, um einen Speicherblock von der Quelladresse im Flash an eine Zieladresse im SRAM zu kopieren.

<c>
void pgm_read_block( uint8_t* pTarget, const uint8_t* pSource, size_t len )
{
size_t i;

for( i = 0; i < len; ++i )
*pTarget++ = pgm_read_byte( pSource++ );
}
</c>

Damit ist es dann natürlich kein Problem mehr ganze Arrays oder Strukturen aus dem Flash in das SRAM zu übertragen.

=== Strings lesen ===
Strings sind in C nichts anderes als eine Abfolge von Zeichen. Der prinzipielle Weg ist daher identisch zu "Bytes lesen", wobei allerdings auf die [http://www.mikrocontroller.net/articles/FAQ#Wie_funktioniert_String-Verarbeitung_in_C.3F Besonderheiten von Strings] wie 0-Terminierung geachtet werden muss, bzw. diese zur Steuerung einer Schleife über die Zeichen im String ausgenutzt werden kann

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/pgmspace.h>

const char pgmString[] PROGMEM = "Hello world";

int main()
{
char c;
const char* addr;

addr = pgmString;
while (c = pgm_read_byte (addr++), c != '\0')
{
// mach was mit c
}
}
</c>

Zur Unterstützung des Programmierers steht das Repertoir der str-Funktionen auch in jeweils eine Variante zur Verfügung, die mit dem Flash-Speicher arbeiten kann. Die Funktionsnamen tragen den Suffix <tt>_P</tt>.

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/pgmspace.h>

const char pgmString[] PROGMEM = "Hallo world";

void foo (void)
{
char string[40];

strcpy_P (string, pgmString);
}
</c>

=== Float lesen ===

Auch um floats zu lesen gibt es ein Makro:

<c>
float pgmFloatArray[3] PROGMEM = {1.1, 2.2, 3.3};

void read_float (void)
{
int i;
float f;

for (i=0; i<3; i++)
{
// entspricht f = pgmFloatArray[i];
f = pgm_read_float (&pgmFloatArray[i]);
// mach was mit f
}
}
</c>

TODO: Beispiele für structs und pointer aus Flash auf struct im Flash (menues, state-machines etc.). Eine kleine Einleitung insbesondere auch in Bezug auf die auftretenden Schwierigkeiten liefert [http://www.mail-archive.com/avr-gcc-list@nongnu.org/msg05652.html].

=== Array aus Strings im Flash-Speicher ===

Arrays aus Strings im Flash-Speicher werden in zwei Schritten angelegt: Zuerst die einzelnen Elemente des Arrays und im Anschluss ein Array, in dem die Startaddressen der Strings abgelegt werden. Zum Auslesen wird zuerst die Adresse des i-ten Elements aus dem Array im Flash-Speicher gelesen, die im Anschluss dazu genutzt wird, auf das Element (den String) selbst zuzugreifen.

<c>
#include <stdint.h>
#include <avr/pgmspace.h>

const char str1[] PROGMEM = "first_A";
const char str2[] PROGMEM = "second_A";
const char str3[] PROGMEM = "third_A";

const char * const strarray1[] PROGMEM =
{
str1,
str2,
str3
};

static char work[20];

void read_strings (void)
{
size_t i;

for (i = 0; i < sizeof (strarray1) / sizeof (strarray1[0]); i++)
{
size_t j, len;

// setze Pointer auf die Addresse des i-ten Elements des
// Flash-Arrays (str1, str2, ...)
const char *pstrflash = (const char*) pgm_read_word (&strarray1[i]);

// kopiere den Inhalt der Zeichenkette von der
// in pstrflash abgelegten Adresse in das work-Array
// analog zu strcpy( work, strarray1[i]) wenn alles im RAM
strcpy_P (work, pstrflash);

// Gleichbedeutend damit:
strcpy_P (work, (const char*) pgm_read_word (&strarray1[i]));

// Zeichen-fuer-Zeichen
len = strlen_P (&strarray1[i]);

// <= da auch das Stringende-Zeichen kopiert werden soll
for (j = 0; j <= len; j++)
{
// analog zu work[j] = strarray[i][j] wenn alles im RAM
work[i] = (char) pgm_read_byte (pstrflash++);
}
}
}
</c>

Siehe dazu auch die avr-libc FAQ: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/FAQ.html#faq_rom_array How do I put an array of strings completely in ROM?]

=== Vereinfachung für Zeichenketten (Strings) im Flash ===

Zeichenketten können innerhalb des Quellcodes als "Flash-Konstanten" ausgewiesen werden. Dazu dient das Makro PSTR aus pgmspace.h. Dies erspart die getrennte Deklaration mit PROGMEM-Attribut.

<c>
#include <string.h>
#include <avr/pgmspace.h>

#define MAXLEN 30

char StringImFlash[] PROGMEM = "Erwin Lindemann";
char StringImRam[MAXLEN];

void read_string (void)
{
strcpy (StringImRam, "Mueller-Luedenscheidt");

if (!strncmp_P (StringImRam, StringImFlash, 5))
{
// mach was, wenn die ersten 5 Zeichen identisch - hier nicht
}
else
{
// der Code hier wuerde ausgefuehrt
}

if (!strncmp_P (StringImRam, PSTR("Mueller-Schmitt"), 5))
{
// der Code hier wird ausgefuehrt, wenn die ersten
// 5 Zeichen uebereinstimmen
}
else
{
// wird bei Nicht-Uebereinstimmung ausgefuehrt
}
}
</c>

Aber Vorsicht: Ersetzt man zum Beispiel
<c>
// Daten im "Flash"
const char flashText[] PROGMEM = "mit[]";
</c>
durch
<c>
// Hier wird "mit*" im RAM angelegt und flashPointer
// enthaelt die Adresse
const char* const flashPointer PROGMEM = "mit*";
</c>
dann kann es zu Problemen kommen.

Übergibt man Zeichenketten, die im Flash abglegt sind an eine Funktion – also die Adresse des ersten Zeichens – so muss die Funktion entsprechend programmiert sein. Die Funktion selbst hat keine Möglichkeit zu unterscheiden, ob es sich um eine Flash-Adresse oder ein RAM-Adresse handelt. Die avr-libc und viele andere avr-gcc-Bibliotheken halten sich an die Konvention, dass Namen von Funktionen, die Flash-Adressen erwarten, mit dem Suffix <code>_P</code> versehen sind.

Eine Funktion, die einen im Flash abgelegten String z. B. an eine UART ausgibt, würde dann so aussehen:

<c>
void uart_puts_p (const char *text)
{
char zeichen;

while ((zeichen = pgm_read_byte (text)))
{
// so lange, wie mittels pgm_read_byte nicht das Stringende
// gelesen wurde: gib dieses Zeichen aus

uart_putc (Zeichen);
text++;
}
}
</c>

Von einigen Bibliotheken werden Makros definiert, die "automatisch" ein PSTR bei Verwendung einer Funktion einfügen. Ein Blick in den Header-File der Bibliothek zeigt, ob dies der Fall ist. Ein Beispiel aus P. Fleurys lcd-Library:

<c>
// Ausschnitt aus dem Header-File lcd.h der "Fleury-LCD-Lib."
extern void lcd_puts_p (const char *progmem_s);
#define lcd_puts_P(__s) lcd_puts_p(PSTR(__s))

// in einer Anwendung
#include <avr/pgmspace.h>
#include <string.h>
#include "lcd.h"

const char StringImFlash[] PROGMEM = "Erwin Lindemann";

void my_write (coid)
{
lcd_puts_p (StringImFlash);
lcd_puts_P ("Dr. Kloebner");
}</c>

=== Flash in der Anwendung schreiben ===

Bei AVRs mit "self-programming"-Option – auch bekannt als [[Bootloader]]-Support – können Teile des Flash-Speichers vom Anwendungsprogramm beschrieben werden. Dies ist nur möglich, wenn die Schreibfunktion in einem besonderen Speicherbereich, der boot-section des Programmspeichers/Flash, abgelegt ist.

Bei einigen kleinen AVRs gibt es keine gesonderte Boot-Section, bei diesen kann der Flashspeicher von jeder Stelle des Programms geschrieben werden. Für Details sei hier auf das jeweilige Controller-Datenblatt und die Erläuterungen zum Modul boot.h der avr-libc verwiesen. Es existieren auch Application-Notes dazu bei atmel.com, die auf avr-gcc-Code übertragbar sind.

Siehe auch:
* Forumsbeitrag [http://www.mikrocontroller.net/topic/163632#1561622 Daten in Programmspeicher speichern]

=== Warum so kompliziert? ===

Zu dem Thema, warum die Verabeitung von Werten aus dem Flash-Speicher so kompliziert ist, sei hier nur kurz erläutert: Die Harvard-Architektur des AVR weist getrennte Adressräume für Programm(Flash)- und Datenspeicher(RAM) auf. Der C-Standard und der gcc-Compiler sehen keine unterschiedlichen Adressräume vor.

Hat man zum Beispiel eine Funktion string_an_uart(const char* s) und übergibt an diese Funktion die Adresse einer Zeichenkette, z. B. 0x01fe, weiß die Funktion nicht, ob die Adresse auf den Flash-Speicher oder den/das RAM zeigt. Allein aus dem Pointer-Wert, also dem Zahlenwert, kann nicht auf den Ort der Ablage geschlossen werden.

Einige AVR-Compiler bilden die Harvard-Architektur ab, indem sie in einen Pointer nicht nur die Adresse speichern, sondern auch den Ablageort wie ''Flash'' oder ''RAM''. In einem Aufruf einer Funktion wird dann bei Pointer-Parametern neben der Adresse auch der Speicherbereich, auf den der Pointer zeigt, übergeben. Dies hat jedoch auch Nachteile, denn bei jeden Zugriff über einen Zeiger muss zur ''Laufzeit'' entschieden werden, wie der Zugriff auszuführen ist und entsprechend länglicher und langsamer kann Code ausgeführt werden.

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitte Modules/Program Space String Utilities und Abschnitt Modules/Bootloader Support Utilities

== EEPROM ==

Man beachte, dass der EEPROM-Speicher nur eine begrenzte Anzahl von Schreibzugriffen zulässt. Beschreibt man eine EEPROM-Zelle öfter als die im Datenblatt zugesicherte Anzahl (typisch 100.000), wird die Funktion der Zelle nicht mehr garantiert.
Dies gilt für jede einzelne Zelle. Bei geschickter Programmierung (z. B. Ring-Puffer), bei der die zu beschreibenden Zellen regelmäßig gewechselt werden, kann man eine deutlich höhere Anzahl an Schreibzugriffen, bezogen auf den Gesamtspeicher, erreichen.

Schreib- und Lesezugriffe auf den EEPROM-Speicher erfolgen über die im Modul eeprom.h definierten Funktionen. Mit diesen Funktionen können einzelne Bytes, Datenworte (16bit) und Datenblöcke geschrieben und gelesen werden.

Bei Nutzung des EEPROMs ist zu beachten, dass vor dem Zugriff auf diesen Speicher abgefragt wird, ob der Controller die vorherige EEPROM-Operation abgeschlossen hat. Die avr-libc-Funktionen beinhalten diese Prüfung, man muss sie nicht selbst implementieren. Man sollte auch verhindern, dass der Zugriff durch die Abarbeitung einer Interrupt-Routine unterbrochen wird, da bestimme Befehlsabfolgen vorgegeben sind, die innerhalb weniger Taktzyklen aufeinanderfolgen müssen ("timed sequence"). Auch dies muss bei Nutzung der Funktionen aus der avr-libc/eeprom.h-Datei nicht selbst implementiert werden. Innerhalb der Funktionen werden Interrupts vor der "EEPROM-Sequenz" global deaktiviert und im Anschluss, falls vorher auch schon eingeschaltet, wieder aktiviert.

Um eine Variable im EEPROM anzulegen, stellt die avr-libc das Makro EEMEM zur Verfügung<ref>In älteren Versionen der avr-libc ist EEMEM noch nicht vorhanden, und man kann sich folgendermassen behelfen:
<c>
#include <avr/eeprom.h>

#ifndef EEMEM
#define EEMEM __attribute__((section (".eeprom")))
#endif
</c></ref>, das analog zu PROGMEM verwendet wird.

<c>
#include <stdint.h>
#include <avr/eeprom.h>

/* Byte */
uint8_t eeFooByte EEMEM = 123;

/* Wort */
uint16_t eeFooWord EEMEM = 12345;

/* float */
float eeFooFloat EEMEM;

/* Byte-Array */
uint8_t eeFooByteArray1[] EEMEM = { 18, 3, 70 };
uint8_t eeFooByteArray2[] EEMEM = { 30, 7, 79 };

/* 16-bit unsigned short feld */
uint16_t eeFooWordArray1[4] EEMEM;
</c>

=== Bytes lesen/schreiben ===

Die avr-libc Funktion zum Lesen eines Bytes heißt eeprom_read_byte. Parameter ist die Adresse des Bytes im EEPROM. Geschrieben wird über die Funktion eeprom_write_byte mit den Parametern Adresse und Inhalt. Anwendungsbeispiel:

<c>
#define EEPROM_DEF 0xFF

void eeprom_example (void)
{
uint8_t myByte;

// myByte lesen (Wert = 123)
myByte = eeprom_read_byte (&eeFooByte);

// der Wert 99 wird im EEPROM an die Adresse der
// Variablen eeFooByte geschrieben
myByte = 99;
eeprom_write_byte(&eeFooByte, myByte); // schreiben

myByte = eeprom_read_byte &eeFooByteArray1[1]);
// myByte hat nun den Wert 3

// Beispiel zur "Sicherung" gegen leeres EEPROM nach "Chip Erase"
// (z. B. wenn die .eep-Datei nach Programmierung einer neuen Version
// des Programms nicht in den EEPROM uebertragen wurde und EESAVE
// deaktiviert ist (unprogrammed/1)
//
// Vorsicht: wenn EESAVE "programmed" ist, hilft diese Sicherung nicht
// weiter, da die Speicheraddressen in einem neuen/erweiterten Programm
// moeglicherweise verschoben wurden. An der Stelle &eeFooByte steht
// dann u.U. der Wert einer anderen Variable aus einer "alten" Version.

uint8_t fooByteDefault = 222;
if ((myByte = eeprom_read_byte (&eeFooByte)) == EEPROM_DEF)
{
myByte = fooByteDefault;
}
}
</c>

=== Wort lesen/schreiben ===

Schreiben und Lesen von Datenworten erfolgt analog zur Vorgehensweise bei Bytes:

<c>
// lesen
uint16_t myWord = eeprom_read_word (&eeFooWord);

// schreiben
eeprom_write_word (&eeFooWord, 2222);
</c>

=== Block lesen/schreiben ===

Lesen und Schreiben von Datenblöcken erfolgt über die Funktionen <code>eeprom_read_block()</code> bzw. <code>eeprom_write_block()</code>. Die Funktionen erwarten drei Parameter: die Adresse der Quell- bzw. Zieldaten im RAM, die EEPROM-Addresse und die Länge des Datenblocks in Bytes als <code>size_t</code>.
<c>
uint8_t myByteBuffer[3];
uint16_t myWordBuffer[4];

void eeprom_block_example (void)
{
/* Datenblock aus EEPROM lesen */

/* liest 3 Bytes ab der von eeFooByteArray1 definierten EEPROM-Adresse
in das RAM-Array myByteBuffer */
eeprom_read_block (myByteBuffer, eeFooByteArray1, 3);

/* dito mit etwas Absicherung betr. der Länge */
eeprom_read_block (myByteBuffer, eeFooByteArray1, sizeof(myByteBuffer));

/* und nun mit 16-Bit Array */
eeprom_read_block (myWordBuffer, eeFooWordArray1, sizeof(myWordBuffer));

/* Datenblock in EEPROM schreiben */
eeprom_write_block (myByteBuffer, eeFooByteArray1, sizeof(myByteBuffer));
eeprom_write_block (myWordBuffer, eeFooWordArray1, sizeof(myWordBuffer));
}
</c>

Ebenso lassen sich float-Variablen lesen und schreiben:

<c>
#include <avr/eeprom.h>

float eeFloat EEMEM = 12.34f;

float void eeprom_float_example (float value)
{
/* float in EEPROM schreiben */
eeprom_write_float (&eeFloat, value);

/* float aus EEPROM lesen */
return eeprom_read_float (&eeFloat);
}</c>

=== EEPROM-Speicherabbild in .eep-Datei ===

Mit den zum Compiler gehörenden Werkzeugen kann der aus den Variablendeklarationen abgeleitete EEPROM-Inhalt in eine Datei geschrieben werden. Die übliche Dateiendung ist .eep, Daten im Intel Hex-Format. Damit können Standardwerte für den EEPROM-Inhalt im Quellcode definiert werden.

Makefiles nach WinAVR/MFile-Vorlage enthalten bereits die notwendigen Einstellungen, siehe dazu die Erläuterungen im [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs Makefiles|Exkurs Makefiles]].

Der Inhalt der eep-Datei muss ebenfalls zum Mikrocontroller übertragen werden, wenn die Initialisierungswerte aus der Deklaration vom Programm erwartet werden. Ansonsten enthält der EEPROM-Speicher nach der Übertragung des Programmers mittels ISP abhängig von der Einstellung der EESAVE-Fuse<ref>vgl. Datenblatt Abschnitt Fuse Bits</ref> nicht die korrekten Werte:
; EESAVE = 0 (programmed): Die Daten im EEPROM bleiben erhalten. Werden sie nicht neu geschrieben, so enthält das EEPROM evtl. Daten, die nicht mehr zum Programm passen.
; EESAVE = 1 (unprogrammed): Beim Programmieren werden die Daten im EEPROM gelosch, also auf 0xff gesetzt.

Als Sicherung kann man im Programm nochmals die Standardwerte vorhalten, beim Lesen auf 0xFF prüfen und gegebenfalls einen Standardwert nutzen.

=== Direkter Zugriff auf EEPROM-Adressen ===

Will man direkt auf bestimmte EEPROM Adressen zugreifen, dann sind folgende Funktionen hilfreich, um sich die Typecasts zu ersparen:

<c>
#include <avr/eeprom.h>

// Byte aus dem EEPROM lesen
uint8_t EEPReadByte(uint16_t addr)
{
return eeprom_read_byte((uint8_t *)addr);
}

// Byte in das EEPROM schreiben
void EEPWriteByte(uint16_t addr, uint8_t val)
{
eeprom_write_byte((uint8_t *)addr, val);
}
</c>

oder als Makro:

<c>
#define EEPReadByte(addr) eeprom_read_byte((uint8_t *)addr)
#define EEPWriteByte(addr, val) eeprom_write_byte((uint8_t *)addr, val)
</c>

Verwendung:

<c>
EEPWriteByte(0x20, 128); // Byte an die Adresse 0x20 schreiben
...
Val=EEPReadByte(0x20); // EEPROM-Wert von Adresse 0x20 lesen
</c>

=== Bekannte Probleme bei den EEPROM-Funktionen ===

Vorsicht: Bei alten Versionen der avr-libc wurden nicht alle AVR Controller unterstützt. Z.B. bei der avr-libc Version 1.2.3 insbesondere bei AVRs "der neuen Generation" (ATmega48/88/168/169) funktionieren die Funktionen nicht korrekt (Ursache: unterschiedliche Speicheradressen der EEPROM-Register). In neueren Versionen (z. B. avr-libc 1.4.3 aus WinAVR 20050125) wurde die Zahl der unterstüzten Controller deutlich erweitert und eine Methode zur leichten Anpassung an zukünftige Controller eingeführt.

In jedem Datenblatt zu AVR-Controllern mit EEPROM sind kurze Beispielecodes für den Schreib- und Lesezugriff enthalten. Will oder kann man nicht auf die neue Version aktualisieren, kann der dort gezeigte Code auch mit dem avr-gcc (ohne avr-libc/eeprom.h) genutzt werden ("copy/paste", gegebenfalls Schutz vor Unterbrechnung/Interrupt ergänzen ''uint8_t sreg; sreg=SREG; cli(); [EEPROM-Code] ; SREG=sreg; return;'', siehe Abschnitt Interrupts). Im Zweifel hilft ein Blick in den vom Compiler erzeugten Assembler-Code (lst/lss-Dateien).

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/EEPROM handling

=== EEPROM Register ===
Um das EEPROM anzusteuern, sind drei Register von Bedeutung:
;EEAR: Hier werden die Adressen eingetragen zum Schreiben oder Lesen. Dieses Register unterteilt sich nochmal in EEARH und EEARL, da in einem 8-Bit-Register keine 512 Adressen adressiert werden können.
;EEDR: Hier werden die Daten eingetragen, die geschrieben werden sollen, bzw. es enthält die gelesenen Daten.
;EECR: Ist das Kontrollregister für das EEPROM

Das EECR steuert den Zugriff auf das EEPROM und ist wie folgt aufgebaut:

:{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''Aufbau des EECR-Registers'''
|-
!Bit
| 7 || 6 || 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| - || - || - ||- || EERIE || EEMWE || EEWE || EERE
|-
! Read/Write
| R || R || R || R || R/W || R/W || R/W || R/W
|-
!Init Value
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0
|}

'''Bedeutung der Bits'''

;Bit 4-7: nicht belegt

;Bit 3 (EERIE): ''EEPROM Ready Interrupt Enable'': Wenn das Bit gesetzt ist und globale Interrupts erlaubt sind in Register SREG (Bit 7), wird ein Interrupt ausgelöst nach Beendigung des Schreibzyklus (EEPROM Ready Interrupt). Ist einer der beiden Bits 0, wird kein Interrupt ausgelöst.

;Bit 2 EEMWE): ''EEPROM Master Write Enable'': Dieses Bit bestimmt, dass, wenn EEWE = 1 gesetzt wird (innerhalb von 4 Taktzyklen), das EEPROM beschrieben wird mit den Daten in EEDR bei Adresse EEAR. Wenn EEMWE = 0 ist und EEWE = 1 gesetzt wird, hat das keine Auswirkungen. Der Schreibvorgang wird dann nicht ausgelöst. Nach 4 Taktzyklen wird das Bit EEMWE automatisch wieder auf 0 gesetzt. Dieses Bit löst den Schreibvorgang nicht aus, es dient sozusagen als Sicherungsbit für EEWE.

;Bit 1 (EEWE): ''EEPROM Write Enable'': Dieses Bit löst den Schreibvorgang aus, wenn es auf 1 gesetzt wird, sofern vorher EEMWE gesetzt wurde und seitdem nicht mehr als 4 Taktzyklen vergangen sind. Wenn der Schreibvorgang abgeschlossen ist, wird dieses Bit automatisch wieder auf 0 gesetzt und, sofern EERIE gesetzt ist, ein Interrupt ausgelöst. Ein Schreibvorgang sieht typischerweise wie folgt aus:
:# EEPROM-Bereitschaft abwarten (EEWE=0)
:# Adresse übergeben an EEAR
:# Daten übergeben an EEDR
:# Schreibvorgang auslösen in EECR mit Bit EEMWE=1 und EEWE=1
:# (Optional) Warten, bis Schreibvorgang abgeschlossen ist

;Bit 0 EERE: ''EEPROM Read Enable'': Wird dieses Bit auf 1 gesetzt wird das EEPROM an der Adresse in EEAR ausgelesen und die Daten in EEDR gespeichert. Das EEPROM kann nicht ausgelesen werden, wenn bereits eine Schreiboperation gestartet wurde. Es ist daher zu empfehlen, die Bereitschaft vorher zu prüfen. Das EEPROM ist lesebereit, wenn das Bit EEWE=0 ist. Ist der Lesevorgang abgeschlossen, wird das Bit wieder auf 0 gesetzt, und das EEPROM ist für neue Lese- und Schreibbefehle wieder bereit. Ein typischer Lesevorgang kann wie folgt aufgebaut sein:
:# Bereitschaft zum Lesen prüfen (EEWE=0)
:# Adresse übergeben an EEAR
:# Lesezyklus auslösen mit EERE = 1
:# Warten, bis Lesevorgang abgeschlossen EERE = 0
:# Daten abholen aus EEDR

= Die Nutzung von sprintf und printf =

Um komfortabel, d.h. formatiert, Ausgaben auf ein Display oder die serielle Schnittstelle zu tätigen, bieten sich '''sprintf''' oder '''printf''' an. Alle *printf-Varianten sind jedoch ziemlich speicherintensiv und der Einsatz in einem Mikrocontroller mit knappem Speicher muss sorgsam abgewogen werden.

Bei '''sprintf''' wird die Ausgabe zunächst in einem Puffer vorbereitet und anschließend mit einfachen Funktionen zeichenweise ausgegeben. Es liegt in der Verantwortung des Programmierers, genügend Platz im Puffer für die erwarteten Zeichen bereitzuhalten.

<c>
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

// ...
// nicht dargestellt: Implementierung von uart_puts (vgl. Abschnitt UART)
// ...

uint16_t counter;

// Ausgabe eines unsigned Integerwertes
void uart_puti( uint16_t value )
{
uint8_t puffer[20];

sprintf( puffer, "Zählerstand: %u", value );
uart_puts( puffer );
}

int main()
{
counter = 5;

uart_puti( counter );
uart_puti( 42 );
}
</c>

Eine weitere elegante Möglichkeit besteht darin, den STREAM stdout (Standardausgabe) auf eine eigene Ausgabefunktion umzuleiten. Dazu wird dem Ausgabemechanismus der C-Bibliothek eine neue Ausgabefunktion bekannt gemacht, deren Aufgabe es ist, ein einzelnes Zeichen auszugeben. Wohin die Ausgabe dann tatsächlich stattfindet, ist Sache der Ausgabefunktion. Im Beispiel unten wird auf UART ausgegeben. Alle anderen, höheren Funktionen wie z. B. '''printf''', greifen letztendlich auf diese primitive Ausgabefunktion zurück.

<c>
#include <avr/io.h>
#include <stdio.h>

void uart_init(void);

// a. Deklaration der primitiven Ausgabefunktion
int uart_putchar(char c, FILE *stream);

// b. Umleiten der Standardausgabe stdout (Teil 1)
static FILE mystdout = FDEV_SETUP_STREAM( uart_putchar, NULL, _FDEV_SETUP_WRITE );

// c. Definition der Ausgabefunktion
int uart_putchar( char c, FILE *stream )
{
if( c == '\n' )
uart_putchar( '\r', stream );

loop_until_bit_is_set( UCSRA, UDRE );
UDR = c;
return 0;
}

void uart_init(void)
{
/* hier µC spezifischen Code zur Initialisierung */
/* des UART einfügen... s.o. im AVR-GCC-Tutorial */

// Beispiel:
//
// myAVR Board 1.5 mit externem Quarz Q1 3,6864 MHz
// 9600 Baud 8N1

#ifndef F_CPU
#define F_CPU 3686400
#endif
#define UART_BAUD_RATE 9600

// Hilfsmakro zur UBRR-Berechnung ("Formel" laut Datenblatt)
#define UART_UBRR_CALC(BAUD_,FREQ_) ((FREQ_)/((BAUD_)*16L)-1)

UCSRB |= (1<<TXEN) | (1<<RXEN); // UART TX und RX einschalten
UCSRC |= (1<<URSEL)|(3<<UCSZ0); // Asynchron 8N1

UBRRH = (uint8_t)( UART_UBRR_CALC( UART_BAUD_RATE, F_CPU ) >> 8 );
UBRRL = (uint8_t)UART_UBRR_CALC( UART_BAUD_RATE, F_CPU );
}

int main(void)
{
int16_t antwort = 42;
uart_init();

// b. Umleiten der Standardausgabe stdout (Teil 2)
stdout = &mystdout;

// Anwendung
printf( "Die Antwort ist %d.\n", antwort );
return 0;
}

// Quelle: avr-libc-user-manual-1.4.3.pdf, S.74
// + Ergänzungen
</c>

Sollen Fließkommazahlen ausgegeben werden, muss im Makefile eine andere (größere) Version der [[FAQ#Aktivieren_der_Floating_Point_Version_von_sprintf_beim_WinAVR_mit_AVR-Studio|printflib]] eingebunden werden.

= Anhang =

== Externe Referenzspannung des internen Analog-Digital-Wandlers ==

Die minimale (externe) Referenzspannung des ADC darf nicht beliebig niedrig sein, vgl. dazu das (aktuellste) Datenblatt des verwendeten Controllers. z. B. beim ATMEGA8 darf sie laut Datenblatt (S.245, Tabelle 103, Zeile "VREF") 2,0V nicht unterschreiten. HINWEIS: diese Information findet sich erst in der letzten Revision (Rev. 2486O-10/04) des Datenblatts.

Meiner  eigenen Erfahrung nach kann man aber (auf eigene Gefahr und natürlich nicht für Seriengeräte) durchaus noch ein klein wenig weiter heruntergehen, bei dem von mir unter die Lupe genommenen ATMEGA8L (also die Low-Voltage-Variante) funktioniert der ADC bei 5V Betriebsspannung mit bis zu VREF=1,15V hinunter korrekt, ab 1,1V und darunter digitalisiert er jedoch nur noch Blödsinn). Ich würde sicherheitshalber nicht unter 1,5V gehen und bei niedrigeren Betriebsspannungen mag sich die Untergrenze für VREF am Pin AREF ggf. nach oben'''(!)''' verschieben.

In der letzten Revision des Datenblatts ist außerdem korrigiert, dass ADC4 und ADC5 sehr wohl 10 Bit Genauigkeit bieten (und nicht bloß 8 Bit, wie in älteren Revisionen irrtümlich angegeben.)

= Anmerkungen =
<references/>
6. im bsp Quellcode zum ADC steht nicht explixit drin dass es sich um die singleconversion handelt da das ADFR bit nicht gesetzt wurde und es per default auf 0 steht. Ist kein schlimmer Fehlero.ä aber ich denke es wäre ein guter Hinweis.

= TODO =
* Aktualisierung Register- und Bitbeschreibungen an aktuelle AVR
* stdio.h, malloc()
* "naked"-Funktionen
* Übersicht zu den C bzw. GCC-predefined Makros (__DATE__, __TIME__,...)
* Bootloader => erl. [[AVR Bootloader in C - eine einfache Anleitung]]
* [http://myweb.msoe.edu/~barnicks/courses/CE-2800/documents/Mixing%20C%20and%20assembly%20language%20programs.pdf Mixing C and assembly language programs] Copyright © 2007 William Barnekow (PDF).

[[Kategorie:avr-gcc Tutorial| ]]

AVR-GCC-Tutorial

2011-10-09T05:40:42Z

Mfgkw: /* Anmerkungen */ Anmerkung bzgl. MUX0...MUX4 gelöscht, da hoffentlich erledigt

= Voraussetzungen =

Vorausgesetzt werden Grundkenntnisse der Progammiersprache C. Diese Kenntnisse kann man sich online erarbeiten, z. B. mit dem [http://www.schellong.de/c.htm C Tutorial von Helmut Schellong] ([[C|Liste von C-Tutorials]]). Nicht erforderlich sind Vorkenntnisse in der Programmierung von Mikrocontrollern, weder in Assembler noch in einer anderen Sprache.

= Vorwort =

Dieses Tutorial soll den Einstieg in die Programmierung von Atmel [[AVR]]-Mikrocontrollern in der Programmiersprache [[C]] mit dem freien C-Compiler [[AVR-GCC]] aus der [http://gcc.gnu.org/ GNU Compiler Collection] erleichtern.

In diesem Text wird häufig auf die Standardbibliothek avr-libc verwiesen, für die es eine [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Online-Dokumentation] gibt, in der sich auch viele nützliche Informationen zum Compiler und zur Programmierung von AVR Controllern finden (beim Packet WinAVR gehört die avr-libc Dokumentation zum Lieferumfang und wird mitinstalliert).

Der Compiler und die Standardbibliothek avr-libc werden stetig weiterentwickelt. Einige Unterschiede, die sich im Verlauf der Entwicklung ergeben haben, werden im Haupttext und Anhang zwar erläutert, Anfängern sei jedoch empfohlen, die aktuellen Versionen zu nutzen (für MS-Windows: aktuelle Version des [[WinAVR]]-Pakets; für Linux: siehe Artikel [[AVR und Linux]]).

Das ursprüngliche Tutorial stammt von Christian Schifferle, viele neue Abschnitte und aktuelle Anpassungen von Martin Thomas.

Dieses Tutorial ist in PDF-Form hier erhältlich (nicht immer auf aktuellem Stand):
[[Media:AVR-GCC-Tutorial.pdf]]

== Weiterführende Kapitel ==

Um dieses riesige Tutorial etwas überschaubarer zu gestalten, wurden einige Kapitel ausgelagert, die nicht unmittelbar mit den Grundlagen von avr-gcc in Verbindung stehen. All diese Seiten gehören zur [[:Kategorie:avr-gcc Tutorial]].
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Der UART|Der UART]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Der Watchdog|Der Watchdog]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Die Timer und Zähler des AVR|Die Timer und Zähler des AVR]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs Makefiles|Exkurs Makefiles]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/LCD-Ansteuerung|LCD-Ansteuerung]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Alte Quellen|Alte Quellen anpassen]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Assembler und Inline-Assembler|Assembler und Inline-Assembler]]

= Benötigte Werkzeuge =

Um eigene Programme für AVRs mittels avr-gcc/avr-libc zu erstellen und zu testen, wird folgende Hard- und Software benötigt:

* Platine oder Versuchsaufbau für die Aufnahme eines AVR Controllers, der vom avr-gcc Compiler unterstützt wird (alle ATmegas und die meisten AT90, siehe Dokumentation der avr-libc für unterstützte Typen). Dieses Testboard kann durchaus auch selbst gelötet oder auf einem Steckbrett aufgebaut werden. Einige Registerbeschreibungen dieses Tutorials beziehen sich auf den inzwischen veralteten AT90S2313. Der weitaus größte Teil des Textes ist aber für alle Controller der AVR-Familie gültig. Brauchbare Testplattformen sind auch das [[STK500]] und der [[AVR Butterfly]] von Atmel. Weitere Infos findet man in den Artikeln [[AVR#Starterkits|AVR Starterkits]] und [[AVR-Tutorial: Equipment]].

* Der avr-gcc Compiler und die avr-libc. Kostenlos erhältlich für nahezu alle Plattformen und Betriebssysteme. Für MS-Windows im Paket [[WinAVR]]; für Unix/Linux siehe auch Hinweise im Artikel [[AVR-GCC]] und im Artikel [[AVR und Linux]].

* Programmiersoftware und -[[AVR In System Programmer |hardware]] z. B. PonyProg (siehe auch: [[Pony-Prog Tutorial]]) oder [[AVRDUDE]] mit [[STK200]]-Dongle oder die von Atmel verfügbare Hard- und Software ([[STK500]], Atmel AVRISP, [[AVR-Studio]]).

* Nicht unbedingt erforderlich, aber zur Simulation und zum Debuggen unter MS-Windows recht nützlich: [[AVR-Studio]] (siehe Artikel [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs_Makefiles|Exkurs: Makefiles]]).

* Wer unter Windows und Linux gleichermassen entwickeln will, der sollte sich die [http://www.eclipse.org/ IDE Eclipse for C/C++ Developers] und das [http://avr-eclipse.sourceforge.net/wiki/index.php/The_AVR_Eclipse_Plugin AVR-Eclipse Plugin ] ansehen, beide sind unter Windows und Linux einfach zu installieren. Hier gibt es auch einen [[AVR_Eclipse|Artikel AVR Eclipse]] in dieser Wiki. Ebenfalls unter Linux und Windows verfügbar ist die Entwicklungsumgebung [http://www.codeblocks.org/ Code::Blocks] (aktuelle, stabile Versionen sind als Nightly Builds regelmäßig im [http://forums.codeblocks.org/ Forum] verfügbar). Innerhalb dieser Entwicklungsumgebung können ohne die Installation zusätzlicher Plugins "AVR-Projekte" angelegt werden. Für Linux gibt es auch noch das [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=25220&postdays=0&postorder=asc&start=0 KontrollerLab].

= Was tun, wenn's nicht "klappt"? =

* Herausfinden, ob es tatsächlich ein avr(-gcc) spezifisches Problem ist oder nur die eigenen C-Kenntnisse einer Auffrischung bedürfen. Allgemeine C-Fragen kann man eventuell "beim freundlichen Programmierer zwei Büro-, Zimmer- oder Haustüren weiter" loswerden. Ansonsten: [[C]]-Buch (gibt's auch "gratis" online) lesen.

* Die [[AVR Checkliste]] durcharbeiten.

* Die '''[http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc]''' lesen, vor allem (aber nicht nur) den Abschnitt Related Pages/'''Frequently Asked Questions''' = Oft gestellte Fragen (und Antworten dazu). Z.Zt leider nur in englischer Sprache verfügbar.

* Den Artikel [[AVR-GCC]] in diesem Wiki lesen.

* Das [http://www.mikrocontroller.net/forum/gcc GCC-Forum auf www.mikrocontroller.net] nach vergleichbaren Problemen absuchen.

* Das avr-gcc-Forum bei [http://www.avrfreaks.net AVRfreaks] nach vergleichbaren Problemen absuchen.

* Das [http://lists.gnu.org/archive/html/avr-gcc-list/ Archiv der avr-gcc Mailing-Liste] nach vergleichbaren Problemen absuchen.

* Nach Beispielcode suchen. Vor allem im ''Projects''-Bereich von [http://www.avrfreaks.net AVRfreaks] (anmelden).

* Google oder yahoo befragen schadet nie.

* Bei Problemen mit der Ansteuerung interner AVR-Funktionen mit C-Code: das Datenblatt des Controllers lesen (ganz und am Besten zweimal). Datenblätter sind auf den [http://www.atmel.com Atmel Webseiten] als pdf-Dateien verfügbar. Das komplette Datenblatt (complete) und nicht die Kurzfassung (summary) verwenden.

* Die Beispielprogramme im [[AVR-Tutorial]] sind zwar in AVR-Assembler verfasst, Erläuterungen und Vorgehensweisen sind aber auch auf C-Programme übertragbar.

* Einen Beitrag in eines der Foren oder eine Mail an die Mailing-Liste schreiben. Dabei möglichst viel Information geben: Controller, Compilerversion, genutzte Bibliotheken, Ausschnitte aus dem Quellcode oder besser ein [http://www.mikrocontroller.net/topic/72767#598986 Testprojekt] mit allen notwendigen Dateien, um das Problem nachzuvollziehen, sowie genaue Fehlermeldungen bzw. Beschreibung des Fehlverhaltens. Bei Ansteuerung externer Geräte die Beschaltung beschreiben oder skizzieren (z. B. mit [http://www.tech-chat.de/ Andys ASCII Circuit]). Siehe dazu auch: '''[http://www.tty1.net/smart-questions_de.html "Wie man Fragen richtig stellt"]'''.

= Erzeugen von Maschinencode =

Aus dem C-Quellcode erzeugt der avr-gcc Compiler (zusammen mit Hilfsprogrammen wie z. B. Präprozessor, Assembler und Linker) Maschinencode für den AVR-Controller. Üblicherweise liegt dieser Code dann im Intel Hex-Format vor ("Hex-Datei"). Die Programmiersoftware (z. B. [[AVRDUDE]], PonyProg oder AVRStudio/STK500-plugin) liest diese Datei ein und überträgt die enthaltene Information (den Maschinencode) in den Speicher des Controllers. Im Prinzip sind also "nur" der avr-gcc-Compiler (und wenige Hilfsprogramme) mit den "richtigen" Optionen aufzurufen, um aus C-Code eine "Hex-Datei" zu erzeugen. Grundsätzlich stehen dazu zwei verschiedene Ansätze zur Verfügung:

* Die Verwendung einer integrierten Entwicklungsumgebung (IDE = '''I'''ntegrated '''D'''evelopment '''E'''nvironment), bei der alle Einstellungen z. B. in Dialogboxen durchgeführt werden können. Unter Anderem kann AVRStudio ab Version 4.12 (kostenlos auf [http://www.atmel.com/ atmel.com]) zusammen mit WinAVR als integrierte Entwicklungsumgebung für den Compiler avr-gcc genutzt werden (dazu müssen AVRStudio und WinAVR auf dem Rechner installiert sein). Weitere IDEs (ohne Anspruch auf Vollständigkeit): [http://www.eclipse.org/ Eclipse for C/C++ Developers] (d.h. inkl. CDT) und das [http://avr-eclipse.sourceforge.net/wiki/index.php/The_AVR_Eclipse_Plugin AVR-Eclipse Plugin] (für diverse Plattformen, u.a. Linux und MS Windows, IDE und Plugin kostenlos), [http://sourceforge.net/projects/kontrollerlab KontrollerLab] (Linux/KDE, kostenlos). [http://www.atmanecl.com/EnglishSite/SoftwareEnglish.htm AtmanAvr] (MS Windows, relativ günstig), KamAVR (MS-Windows, kostenlos, wird augenscheinlich nicht mehr weiterentwickelt), [http://www.amctools.com/vmlab.htm VMLab] (MS Windows, ab Version 3.12 ebenfalls kostenlos). Integrierte Entwicklungsumgebungen unterscheiden sich stark in Ihrer Bedienung und stehen auch nicht für alle Plattformen zur Verfügung, auf denen der Compiler ausführbar ist (z. B. AVRStudio nur für MS-Windows). Zur Anwendung des avr-gcc Compilers mit IDEs sei hier auf deren Dokumentation verwiesen.

* Die Nutzung des Programms make mit passenden Makefiles. In den folgenden Abschnitten wird die Generierung von Maschinencode für einen AVR ("hex-Datei") aus C-Quellcode ("c-Dateien") anhand von "make" und den "Makefiles" näher erläutert. Viele der darin beschriebenen Optionen findet man auch im Konfigurationsdialog des avr-gcc-Plugins von AVRStudio (AVRStudio generiert ein makefile in einem Unterverzeichnis des Projektverzeichnisses).

Beim Wechsel vom makefile-Ansatz nach WinAVR-Vorlage zu AVRStudio ist darauf zu achten, dass AVRStudio (Stand: AVRStudio Version 4.13) bei einem neuen Projekt die Optimierungsoption (vgl. Artikel [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs_Makefiles|AVR-GCC-Tutorial/Exkurs: Makefiles]], typisch: -Os) nicht einstellt und die mathematische Bibliothek der avr-libc (libm.a, Linker-Option -lm) nicht einbindet. (Hinweis: Bei Version 4.16 wird beides bereits gesetzt). Beides ist Standard bei Verwendung von makefiles nach WinAVR-Vorlage und sollte daher auch im Konfigurationsdialog des avr-gcc-Plugins von AVRStudio "manuell" eingestellt werden, um auch mit AVRStudio kompakten Code zu erzeugen.

= Einführungsbeispiel =

Zum Einstieg ein kleines Beispiel, an dem die Nutzung des Compilers und der Hilfsprogramme (der sogenannten ''Toolchain'') demonstriert wird. Detaillierte Erläuterungen folgen in den weiteren Abschnitten dieses Tutorials.

Das Programm soll auf einem AVR Mikrocontroller einige Ausgänge ein- und andere ausschalten. Das Beispiel ist für einen ATmega16 programmiert ([http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2466.pdf Datenblatt]), kann aber sinngemäß für andere Controller der AVR-Familie modifiziert werden.

Ein kurzes Wort zur Hardware: Bei diesem Programm werden alle Pins von PORTB auf Ausgang gesetzt, und einige davon werden auf HIGH andere auf LOW gesetzt. Das kann je nach angeschlossener Hardware an diesen Pins kritisch sein. Am ungefährlichsten ist es, wenn nichts an den Pins angeschlossen ist und man die Funktion des Programmes durch eine Spannungsmessung mit einem Multimeter kontrolliert. Die Spannung wird dabei zwischen GND-Pin und den einzelnen Pins von PORTB gemessen.

Zunächst der Quellcode der Anwendung, der in einer Text-Datei mit dem Namen ''main.c'' abgespeichert wird.

<c>
/* Alle Zeichen zwischen Schrägstrich-Stern
und Stern-Schrägstrich sind Kommentare */

// Zeilenkommentare sind ebenfalls möglich
// alle auf die beiden Schrägstriche folgenden
// Zeichen einer Zeile sind Kommentar

#include <avr/io.h> // (1)

int main (void) { // (2)

DDRB = 0xFF; // (3)
PORTB = 0x03; // (4)

while(1) { // (5)
/* "leere" Schleife*/ // (6)
} // (7)

/* wird nie erreicht */
return 0; // (8)
}
</c>

# In dieser Zeile wird eine sogenannte Header-Datei eingebunden. In <code>avr/io.h</code> sind die Registernamen definiert, die im späteren Verlauf genutzt werden. Auch unter Windows wird ein <code>/</code> zur Kennzeichnung von Unterverzeichnissen in Include-Dateinamen verwendet und kein <code>\</code>.
# Hier beginnt das eigentliche Programm. Jedes C-Programm beginnt mit den Anweisungen in der Funktion <code>main</code>.
# Die Anschlüsse eines AVR ("Beinchen") werden zu Blöcken zusammengefasst, einen solchen Block bezeichnet man als Port. Beim ATmega16 hat jeder Port 8 Anschlüsse, bei kleineren AVRs können einem Port auch weniger als 8 Anschlüsse zugeordnet sein. Da per Definition (Datenblatt) alle gesetzten Bits in einem Datenrichtungsregister den entsprechenden Anschluss auf Ausgang schalten, werden mit DDRB=0xff alle Anschlüsse des Ports B als Ausgänge eingestellt.
# stellt die Werte der Ausgänge ein. Die den ersten beiden Bits des Ports zugeordneten Anschlüsse (PB0 und PB1) werden 1, alle anderen Anschlüsse des Ports B (PB2-PB7) zu 0. Aktivierte Ausgänge (logisch 1 oder "high") liegen auf Betriebsspannung (VCC, meist 5 Volt), nicht aktivierte Ausgänge führen 0 Volt (GND, Bezugspotential). Es ist sinnvoll, sich möglichst frühzeitig eine alternative Schreibweise beizubringen, die wegen der leichteren Überprüfbarkeit und Portierbarkeit oft im weiteren Tutorial und in Forenbeiträgen benutzt wird. Die Zuordnung sieht in diesem Fall so aus, Näheres dazu im Artikel [[Bitmanipulation]]:<c>PORTB = (1<<PB1) | (1<<PB0);</c>
# ist der Beginn der sogenannte ''Hauptschleife'' (main-loop). Dies ist eine Endlosschleife, welche kontinuierlich wiederkehrende Befehle enthält.
# In diesem Beispiel ist die Hauptschleife leer. Der Controller durchläuft die Schleife immer wieder, ohne dass etwas passiert. Eine solche Schleife ist notwendig, da es auf dem Controller kein Betriebssystem gibt, das nach Beendigung des Programmes die Kontrolle übernehmen könnte. Ohne diese Schleife kehrt das Programm aus <code>main</code> zurück, alle Interrupts werden deaktiviert und eine Endlosschleife betreten.
# Ende der Hauptschleife und Sprung zur passenden, öffnenden Klammer, also zu 5.
# ist das Programmende. Die Zeile ist nur aus Gründen der C-Kompatibilität enthalten: <c>int main(void)</c> besagt, dass die Funktion einen int-Wert zurückgibt. Die Anweisung wird aber nicht erreicht, da das Programm die Hauptschleife nie verlässt.

Um diesen Quellcode in ein lauffähiges Programm zu übersetzen, wird hier ein Makefile genutzt. Das verwendete Makefile findet sich auf der Seite [[Beispiel Makefile]] und basiert auf der Vorlage, die in WinAVR mitgeliefert wird und wurde bereits angepasst (Controllertyp ATmega16). Man kann das Makefile bearbeiten und an andere Controller anpassen oder sich mit dem Programm MFile menügesteuert ein Makefile "zusammenklicken". Das Makefile speichert man unter dem Namen <code>Makefile</code> (ohne Endung) im selben Verzeichnis, in dem auch die Datei <code>main.c</code> mit dem Programmcode abgelegt ist. Detailliertere Erklärungen zur Funktion von Makefiles finden sich im Artikel [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs_Makefiles|Exkurs: Makefiles]].

<pre>
D:\beispiel>dir

Verzeichnis von D:\beispiel

28.11.2006 22:53 <DIR> .
28.11.2006 22:53 <DIR> ..
28.11.2006 20:06 118 main.c
28.11.2006 20:03 16.810 Makefile
2 Datei(en) 16.928 Bytes
</pre>

Nun gibt man ''make all'' ein. Falls das mit WinAVR installierte Programmers Notepad genutzt wird, gibt es dazu einen Menüpunkt im Tools Menü. Sind alle Einstellungen korrekt, entsteht eine Datei <code>main.hex</code>, in welcher der Code für den AVR enthalten ist.
<pre>
D:\beispiel>make all

-------- begin --------
avr-gcc (GCC) 3.4.6
Copyright (C) 2006 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions. There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

Compiling C: main.c
avr-gcc -c -mmcu=atmega16 -I. -gdwarf-2 -DF_CPU=1000000UL -Os -funsigned-char -f
unsigned-bitfields -fpack-struct -fshort-enums -Wall -Wstrict-prototypes -Wundef
-Wa,-adhlns=obj/main.lst -std=gnu99 -Wundef -MD -MP -MF .dep/main.o.d main.c -
o obj/main.o

Linking: main.elf
avr-gcc -mmcu=atmega16 -I. -gdwarf-2 -DF_CPU=1000000UL -Os -funsigned-char -funs
igned-bitfields -fpack-struct -fshort-enums -Wall -Wstrict-prototypes -Wundef -W
a,-adhlns=obj/main.o -std=gnu99 -Wundef -MD -MP -MF .dep/main.elf.d obj/main.o
--output main.elf -Wl,-Map=main.map,--cref -lm

Creating load file for Flash: main.hex
avr-objcopy -O ihex -R .eeprom main.elf main.hex
</pre>

Der Inhalt der hex-Datei kann nun zum Controller übertragen werden. Dies kann z. B. über In-System-Programming ([[ISP]]) erfolgen, das im [[AVR-Tutorial: Equipment]] beschrieben ist. Makefiles nach der WinAVR/MFile-Vorlage sind für die Nutzung des Programms [[AVRDUDE]] vorbereitet. Wenn man den Typ und Anschluss des Programmiergerätes richtig eingestellt hat, kann mit ''make program'' die Übertragung mittels AVRDUDE gestartet werden. Jede andere Software, die hex-Dateien lesen und zu einem AVR übertragen kann<ref>z. B. [[Pony-Prog_Tutorial|Ponyprog]], yapp, AVRStudio</ref>, kann natürlich ebenfalls genutzt werden.

Startet man nun den Controller (Reset-Taster oder Stromzufuhr aus/an), werden vom Programm die Anschlüsse PB0 und PB1 auf 1 gesetzt. Man kann mit einem Messgerät nun an diesem Anschluss die Betriebsspannung messen oder eine [[LED]] leuchten lassen (Anode an den Pin, Vorwiderstand nicht vergessen). An den Anschlüssen PB2-PB7 misst man 0 Volt. Eine mit der Anode mit einem dieser Anschlüsse verbundene LED leuchtet nicht.

= Ganzzahlige (Integer) Datentypen =

Bei der Programmierung von Mikrokontrollern ist die Definition einiger ganzzahliger Datentypen sinnvoll, an denen eindeutig die Bit-Länge abgelesen werden kann.

Standardisierte Datentypen werden in der Header-Datei <code>stdint.h</code> definiert, die folgendermaßen eingebunden werden kann:
<c>#include <stdint.h></c>

{| {{Tabelle}}
|+ '''int-Typen aus <code>stdint.h</code> (C99)'''  
|- bgcolor="#d0d0ff"
!colspan="5"| Vorzeichenbehaftete int-Typen
|- bgcolor="#e8e8ff"
! Typname || Bit-Breite ||colspan="2"| Wertebereich
|align="center| '''C-Entsprechung''' (avr-gcc)
|-
|<code>int8_t</code> ||align="right"| 8 || −128 ⋯ 127 || −27 ⋯ 27−1 || <code>signed char</code>
|-
|<code>int16_t</code> ||align="right"| 16 || −32768 ⋯ 32767 || −215 ⋯ 215−1 || <code>signed short</code>, <code>signed int</code>
|-
|<code>int32_t</code> ||align="right"| 32 || −2147483648 ⋯ 2147483647 || −231 ⋯ 231−1 || <code>signed long</code>
|-
|<code>int64_t</code> ||align="right"| 64 || −9223372036854775808 ⋯ 9223372036854775807 || −263 ⋯ 263−1 || <code>signed long long</code>
|- bgcolor="#d0d0ff"
!colspan="5"| Vorzeichenlose int-Typen
|- bgcolor="#e8e8ff"
! Typname || Bit-Breite ||colspan="2"| Wertebereich
|align="center| '''C-Entsprechung''' (avr-gcc)
|-
|<code>uint8_t</code> ||align="right"| 8 || 0 ⋯ 255 || 0 ⋯ 28−1 || <code>unsigned char</code>
|-
|<code>uint16_t</code> ||align="right"| 16 || 0 ⋯ 65535 || 0 ⋯ 216−1 || <code>unsigned short</code>, <code>unsigned int</code>
|-
|<code>uint32_t</code> ||align="right"| 32 || 0 ⋯ 4294967295 || 0 ⋯ 232−1 || <code>unsigned long</code>
|-
|<code>uint64_t</code> ||align="right"| 64 || 0 ⋯ 18446744073709551615 || 0 ⋯ 264−1 || <code>unsigned long long</code>
|}

Neben den Typen gibt es auch Makros für die Bereichsgrenzen wie <code>INT8_MIN</code> oder <code>UINT16_MAX</code>. Siehe dazu auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__avr__stdint.html Dokumentation der avr-libc: Standard Integer Types].

= Bitfelder =

Beim Programmieren von Mikrocontrollern muss auf jedes Byte oder sogar auf
jedes Bit geachtet werden. Oft müssen wir in einer Variablen lediglich den
Zustand 0 oder 1 speichern. Wenn wir nun zur Speicherung eines einzelnen Wertes
den kleinsten bekannten Datentypen, nämlich '''unsigned char''', nehmen, dann
verschwenden wir 7 Bits, da ein '''unsigned char''' ja 8 Bits breit ist.

Hier bietet uns die Programmiersprache C ein mächtiges Werkzeug an, mit dessen
Hilfe wir 8 Bits in eine einzelne Bytevariable zusammenfassen und (fast) wie
8 einzelne Variablen ansprechen können. Die Rede ist von sogenannten Bitfeldern. Diese werden als Strukturelemente definiert. Sehen wir uns dazu doch am besten gleich ein Beispiel an:

<c>
struct {
unsigned bStatus_1:1; // 1 Bit für bStatus_1
unsigned bStatus_2:1; // 1 Bit für bStatus_2
unsigned bNochNBit:1; // Und hier noch mal ein Bit
unsigned b2Bits:2; // Dieses Feld ist 2 Bits breit
// All das hat in einer einzigen Byte-Variable Platz.
// die 3 verbleibenden Bits bleiben ungenutzt
} x;
</c>

Der Zugriff auf ein solches Feld erfolgt nun, wie beim Strukturzugriff bekannt,
über den Punkt- oder den Dereferenzierungs-Operator:

<c>
x.bStatus_1 = 1;
x.bStatus_2 = 0;
x.b2Bits = 3;
</c>

Bitfelder sparen Platz im RAM, zu Lasten von Platz im Flash, verschlechtern aber unter Umständen die Les- und Wartbarkeit des Codes. Anfängern wird deshalb geraten, ein "ganzes" Byte (uint8_t) zu nutzen, auch wenn nur ein Bitwert gespeichert werden soll.

= Grundsätzlicher Programmaufbau eines µC-Programms =

Wir unterscheiden zwischen 2 verschiedenen Methoden, um ein
Mikrocontroller-Programm zu schreiben, und zwar völlig unabhängig davon, in
welcher Programmiersprache das Programm geschrieben wird.

== Sequentieller Programmablauf ==

[[Image:Sequentielle Programme.gif|left]]
Bei dieser Programmiertechnik wird eine Endlosschleife programmiert, welche im
Wesentlichen immer den gleichen Aufbau hat. Es wird hier nach dem sogenannten EVA-Prinzip gehandelt. EVA steht für "Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe":
{{Absatz}}

== Interruptgesteuerter Programmablauf ==

[[Image:Interrupt Programme.gif|left]]
Bei dieser Methode werden beim Programmstart zuerst die gewünschten Interruptquellen aktiviert und dann in eine Endlosschleife gegangen, in welcher Dinge erledigt werden können, welche nicht zeitkritisch sind. Wenn ein Interrupt ausgelöst wird, so wird automatisch die zugeordnete Interruptfunktion ausgeführt.
{{Absatz}}

= Zugriff auf Register =

Die AVR-Controller verfügen über eine Vielzahl von Registern. Die meisten
davon sind sogenannte Schreib-/Leseregister. Das heißt, das Programm kann die
Inhalte der Register sowohl auslesen als auch beschreiben.

Register haben einen besonderen Stellenwert bei den AVR Controllern. Sie dienen dem Zugriff auf die Ports und die Schnittstellen des Controllers. Wir unterscheiden zwischen 8-Bit und 16-Bit Registern. Vorerst behandeln wir die 8-Bit Register.

Einzelne Register sind bei allen AVRs vorhanden, andere wiederum nur bei bestimmten Typen. So sind beispielsweise die Register, welche für den Zugriff auf den UART notwendig sind, selbstverständlich nur bei denjenigen Modellen vorhanden, welche über einen integrierten Hardware UART bzw. USART verfügen.

Die Namen der Register sind in den Headerdateien zu den entsprechenden AVR-Typen definiert. Dazu muss man den Namen der controllerspezifischen Headerdatei nicht kennen. Es reicht aus, die allgemeine Headerdatei ''avr/io.h'' einzubinden:

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

Ist im Makefile der MCU-Typ z. B. mit dem Inhalt atmega8 definiert (und wird somit per -mmcu=atmega8 an den Compiler übergeben), wird beim Einlesen der io.h-Datei implizit ("automatisch") auch die iom8.h-Datei mit den Register-Definitionen für den ATmega8 eingelesen.


Intern wird diese "Automatik" wie folgt realisiert: Der Controllertyp wird dem Compiler als Parameter übergeben (vgl. ''avr-gcc -c -mmcu=atmega16 [...]'' im Einführungsbeispiel). Wird ein Makefile nach der WinAVR/mfile-Vorlage verwendet, setzt man die Variable ''MCU'', der Inhalt dieser Variable wird dann an passender Stelle für die Compilerparameter verwendet. Der Compiler definiert intern eine dem mmcu-Parameter zugeordnete "Variable" (genauer: ein Makro) mit dem Namen des Controllers, vorangestelltem ''__AVR_'' und angehängten Unterstrichen (z. B. wird bei ''-mmcu=atmega16'' das Makro ''__AVR_ATmega16__'' definiert). Beim Einbinden der Header-Datei ''avr/io.h'' wird geprüft, ob das jeweilige Makro definiert ist und die zum Controller passende Definitionsdatei eingelesen. Zur Veranschaulichung einige Ausschnitte aus einem Makefile:

<pre>
[...]
# MCU Type ("name") setzen:
MCU = atmega16
[...]

[...]
## Verwendung des Inhalts von MCU (hier atmega16) fuer die
## Compiler- und Assembler-Parameter
ALL_CFLAGS = -mmcu=$(MCU) -I. $(CFLAGS) $(GENDEPFLAGS)
ALL_CPPFLAGS = -mmcu=$(MCU) -I. -x c++ $(CPPFLAGS) $(GENDEPFLAGS)
ALL_ASFLAGS = -mmcu=$(MCU) -I. -x assembler-with-cpp $(ASFLAGS)
[...]

[...]
## Aufruf des Compilers:
## mit den Parametern ($(ALL_CFLAGS) ist -mmcu=$(MCU)[...] = -mmcu=atmega16[...]
$(OBJDIR)/%.o : %.c
@echo
@echo $(MSG_COMPILING) $<
$(CC) -c $(ALL_CFLAGS) $< -o $@
[...]
</pre>

Da --mmcu=atmega16 übergeben wurde, wird __AVR_ATmega16__ definiert und kann in avr/io.h zur Fallunterscheidung genutzt werden:

<c>
// avr/io.h
// (bei WinAVR-Standardinstallation in C:\WinAVR\avr\include\avr)
[...]
#if defined (__AVR_AT94K__)
# include <avr/ioat94k.h>
// [...]
#elif defined (__AVR_ATmega16__)
// da __AVR_ATmega16__ definiert ist, wird avr/iom16.h eingebunden:
# include <avr/iom16.h>
// [...]
#else
# if !defined(__COMPILING_AVR_LIBC__)
# warning "device type not defined"
# endif
#endif
</c>

Die Beispiele in den folgenden Abschnitten demonstrieren den Zugriff auf Register anhand der Register für I/O-Ports (PORTx, DDRx, PINx), die Vorgehensweise ist jedoch für alle Register (z. B. die des UART, ADC, SPI) analog.

== Schreiben in Register ==

Zum Schreiben kann man Register einfach wie eine Variable setzen.<ref>In Quellcodes, die für ältere Versionen des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, erfolgt der Schreibzugriff über die Funktion outp(). Aktuelle Versionen des Compilers unterstützen den Zugriff nun direkt, outp() ist nicht mehr erforderlich.</ref>

Beispiel:

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

int main()
{
/* Setzt das Richtungsregister des Ports A auf 0xff
(alle Pins als Ausgang, vgl. Abschnitt Zugriff auf Ports): */
DDRA = 0xff;

/* Setzt PortA auf 0x03, Bit 0 und 1 "high", restliche "low": */
PORTA = 0x03;

// Setzen der Bits 0,1,2,3 und 4
// Binär 00011111 = Hexadezimal 1F
DDRB = 0x1F; /* direkte Zuweisung - unübersichtlich */

/* Ausführliche Schreibweise: identische Funktionalität, mehr Tipparbeit
aber übersichtlicher und selbsterklärend: */
DDRB = (1 << DDB0) | (1 << DDB1) | (1 << DDB2) | (1 << DDB3) | (1 << DDB4);

while (1);
}
</c>

Die ausführliche Schreibweise sollte bevorzugt verwendet werden, da dadurch die Zuweisungen selbsterklärend sind und somit der Code leichter nachvollzogen werden kann. Atmel verwendet sie auch bei Beispielen in Datenblätten und in den allermeisten Quellcodes zu Application-Notes. Mehr zu der Schreibweise mit "|" und "<<" findet man unter [[Bitmanipulation]].

Der gcc C-Compiler unterstützt ab Version 4.3.0 Konstanten im Binärformat, z. B. DDRB = 0b00011111. Diese Schreibweise ist jedoch nur in GNU-C verfügbar und nicht in ISO-C definiert. Man sollte sie daher nicht verwenden, wenn Code mit anderen ausgetauscht oder mit anderen Compilern bzw. älteren Versionen des gcc genutzt werden soll.

== Verändern von Registerinhalten ==

Einzelne Bits setzt und löscht man "Standard-C-konform" mittels logischer (Bit-) Operationen.

<c>
x |= (1 << Bitnummer); // Hiermit wird ein Bit in x gesetzt
x &= ~(1 << Bitnummer); // Hiermit wird ein Bit in x geloescht
</c>

Es wird jeweils nur der Zustand des angegebenen Bits geändert, der vorherige Zustand der anderen Bits bleibt erhalten.

Beispiel:
<c>
#include <avr/io.h>
...
#define MEINBIT 2
...
PORTA |= (1 << MEINBIT); /* setzt Bit 2 an PortA auf 1 */
PORTA &= ~(1 << MEINBIT); /* loescht Bit 2 an PortA */
</c>

Mit dieser Methode lassen sich auch mehrere Bits eines Registers gleichzeitig setzen und löschen.

Beispiel:
<c>
#include <avr/io.h>
...
DDRA &= ~( (1<<PA0) | (1<<PA3) ); /* PA0 und PA3 als Eingaenge */
PORTA |= (1<<PA0) | (1<<PA3); /* Interne Pull-Up fuer beide einschalten */
</c>

In Quellcodes, die für ältere Version den des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, werden einzelne Bits mittels der Funktionen sbi und cbi gesetzt bzw. gelöscht. Beide Funktionen sind nicht mehr erforderlich.

Siehe auch:
* [[Bitmanipulation]]
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Special Function Registers

== Lesen aus Registern ==

Zum Lesen kann man auf Register einfach wie auf eine Variable zugreifen. In Quellcodes, die für ältere Versionen des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, erfolgt der Lesezugriff über die Funktion inp(). Aktuelle Versionen des Compilers unterstützen den Zugriff nun direkt und inp() ist nicht mehr erforderlich.

Beispiel:

<c>
#include <avr/io.h>
#include <stdint.h>

uint8_t foo;

//...

int main(void)
{
/* kopiert den Status der Eingabepins an PortB
in die Variable foo: */
foo = PINB;
//...
}
</c>

Die Abfrage der Zustände von Bits erfolgt durch Einlesen des gesamten Registerinhalts und ausblenden der Bits deren Zustand nicht von Interesse ist. Einige Beispiele zum Prüfen ob Bits gesetzt oder gelöscht sind:

<c>
#define MEINBIT0 0
#define MEINBIT2 2

uint8_t i;

extern test1();

// Funkion test1 aufrufen, wenn Bit 0 in Register PINA gesetzt (1) ist
i = PINA; // Inhalt in Arbeitsvariable
i = i & 0x01; // alle Bits bis auf Bit 0 ausblenden (logisches und)
// falls das Bit gesetzt war, hat i den Inhalt 1
if ( i != 0 ) { // Ergebnis ungleich 0 (wahr)?
test1(); // dann muss Bit 0 in i gesetzt sein -> Funktion aufrufen
}
// verkürzt:
if ( ( PINA & 0x01 ) != 0 ) {
test1();
}
// nochmals verkürzt:
if ( PINA & 0x01 ) {
test1();
}
// mit definierter Bitnummer:
if ( PINA & ( 1 << MEINBIT0 ) ) {
test1();
}

// Funktion aufrufen, wenn Bit 0 und/oder Bit 2 gesetzt ist. (Bit 0 und 2 also Wert 5)
// (Bedenke: Bit 0 hat Wert 1, Bit 1 hat Wert 2 und Bit 2 hat Wert 4)
if ( PINA & 0x05 ) {
test1(); // Vergleich <> 0 (wahr), also mindestens eines der Bits gesetzt
}
// mit definierten Bitnummern:
if ( PINA & ( ( 1 << MEINBIT0 ) | ( 1 << MEINBIT2 ) ) ) {
test1();
}

// Funktion aufrufen, wenn Bit 0 und Bit 2 gesetzt sind
if ( ( PINA & 0x05 ) == 0x05 ) { // nur wahr, wenn beide Bits gesetzt
test1();
}

// Funktion test2() aufrufen, wenn Bit 0 gelöscht (0) ist
i = PINA; // einlesen in temporäre Variable
i = i & 0x01; // maskieren von Bit 0
if ( i == 0 ) { // Vergleich ist wahr, wenn Bit 0 nicht gesetzt ist
test2();
}
// analog mit not-Operator
if ( !i ) {
test2();
}
// nochmals verkürzt:
if ( !( PINA & 0x01 ) ) {
test2();
}
</c>

== Warten auf einen bestimmten Zustand ==

Es gibt in der Bibliothek avr-libc Funktionen, die warten, bis ein bestimmter Zustand eines Bits erreicht ist. Es ist allerdings normalerweise eine eher unschöne Programmiertechnik, da in diesen Funktionen "blockierend" gewartet wird. Der Programmablauf bleibt also an dieser Stelle stehen, bis das maskierte Ereignis erfolgt ist. Setzt man den [[Watchdog]] ein, muss man darauf achten, dass dieser auch noch getriggert wird (Zurücksetzen des Watchdogtimers).

Die Funktion '''loop_until_bit_is_set''' wartet in einer Schleife, bis das definierte Bit gesetzt ist. Wenn das Bit beim Aufruf der Funktion bereits gesetzt ist, wird die Funktion sofort wieder verlassen. Das niederwertigste Bit hat die Bitnummer 0.

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

/* Warten bis Bit Nr. 2 (das dritte Bit) in Register PINA gesetzt (1) ist */

#define WARTEPIN PINA
#define WARTEBIT PA2

// mit der avr-libc Funktion:
loop_until_bit_is_set(WARTEPIN, WARTEBIT);

// dito in "C-Standard":
// Durchlaufe die (leere) Schleife solange das WARTEBIT in Register WARTEPIN
// _nicht_ ungleich 0 (also 0) ist.
while ( !(WARTEPIN & (1 << WARTEBIT)) ) {}
...
</c>

Die Funktion '''loop_until_bit_is_clear''' wartet in einer Schleife, bis das definierte Bit gelöscht ist. Wenn das Bit beim Aufruf der Funktion bereits gelöscht ist, wird die Funktion sofort wieder verlassen.

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

/* Warten bis Bit Nr. 4 (das fuenfte Bit) in Register PINB geloescht (0) ist */
#define WARTEPIN PINB
#define WARTEBIT PB4

// avr-libc-Funktion:
loop_until_bit_is_clear(WARTEPIN, WARTEBIT);

// dito in "C-Standard":
// Durchlaufe die (leere) Schleife solange das WARTEBIT in Register WARTEPIN
// gesetzt (1) ist
while ( WARTEPIN & (1<<WARTEBIT) ) {}
...
</c>

Universeller und auch auf andere Plattformen besser übertragbar ist die Verwendung von C-Standardoperationen.

Siehe auch:
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Special Function Registers
* [[Bitmanipulation]]

== 16-Bit Register (ADC, ICR1, OCR1x, TCNT1, UBRR) ==

Einige der Portregister in den AVR-Controllern sind 16 Bit breit. Im Datenblatt sind diese Register üblicherweise mit dem Suffix "L" (Low-Byte) und "H" (High-Byte) versehen. Die avr-libc definiert zusätzlich die meisten dieser Variablen die Bezeichnung ohne "L" oder "H". Auf diese Register kann dann direkt zugegriffen werden. Die ist zum Beispiel der Fall für Register wie ADC oder TCNT1.
<c>
#include <avr/io.h>
...
uint16_t foo;

/* setzt die Wort-Variable foo auf den Wert der letzten AD-Wandlung */
foo = ADC;
</c>

Bei anderen Registern, wie zum Beispiel Baudraten-Register, liegen High- und Low-Teil nicht direkt nebeneinander im SFR-Bereich, so dass ein 16-Bit Zugriff nicht möglich ist und der Zugriff zusammengebastelt werden muss:

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

#ifndef F_CPU
#define F_CPU 3686400
#endif
#define UART_BAUD_RATE 9600

...
uint16_t baud = F_CPU / (UART_BAUD_RATE * 16L) -1;

UBRRH = (uint8_t) (baud >> 8);
UBRRL = (uint8_t) baud;
...
</c>

Bei einigen AVR-Typen wie ATmega8 oder ATmega16 teilen sich UBRRH und UCSRC die gleiche Speicher-Adresse. Damit der AVR trotzdem zwischen den beiden Registern unterscheiden kann, bestimmt das Bit7 (URSEL), welches Register tatsächlich beschrieben werden soll. ''1000 0011'' (0x83) adressiert demnach UCSRC und übergibt den Wert ''3'' und ''0000 0011'' (0x3) adressiert UBRRH und übergibt ebenfalls den Wert ''3''.

Speziell bei den 16-Bit-Timern und auch beim ADC ist es bei allen Zugriffen auf Datenregister erforderlich, dass diese Daten synchronisiert sind. Wenn z. B. bei einem 16-Bit-Timer das High-Byte des Zählregisters gelesen wurde und vor dem Lesezugriff auf das Low-Byte ein Überlauf des Low-Bytes stattfindet, erhält man einen völlig unsinnigen Wert. Auch die Compare-Register müssen synchron geschrieben werden, da es ansonsten zu unerwünschten Compare-Ereignissen kommen kann.

Beim ADC besteht das Problem darin, dass zwischen den Zugriffen auf die beiden Teilregister eine Wandlung beendet werden kann und der ADC ein neues Ergebnis in ADCL und ADCH schreiben will, wodurch High- und Low-Byte nicht zusammenpassen.

Um diese Datenmüllproduktion zu verhindern, gibt es in beiden Fällen eine Synchronisation, die jeweils durch den Zugriff auf das Low-Byte ausgelöst wird:
* Bei den Timer-Registern (das gilt für alle TCNT-, OCR- und ICR-Register bei den 16-Bit-Timern) wird bei einem ''Lesezugriff'' auf das Low-Byte automatisch das High-Byte in ein temporäres Register, das ansonsten nach außen nicht sichtbar ist, geschoben. Greift man nun ''anschließend'' auf das High-Byte zu, dann wird eben dieses temporäre Register gelesen.
* Bei einem ''Schreibzugriff'' auf eines der genannten Register wird das High-Byte in besagtem temporären Register zwischengespeichert und erst beim Schreiben des Low-Bytes werden ''beide'' gleichzeitig in das eigentliche Register übernommen.

Das bedeutet für die Reihenfolge:
* Lesezugriff: Erst Low-Byte, dann High-Byte
* Schreibzugriff: Erst High-Byte, dann Low-Byte

Des weiteren ist zu beachten, dass es für all diese 16-Bit-Register nur ein einziges temporäres Register gibt, so dass das Auftreten eines Interrupts, in dessen Handler ein solches Register manipuliert wird, bei einem durch ihn unterbrochenen Zugriff i.d.R. zu Datenmüll führt. 16-Bit-Zugriffe sind generell nicht atomar! Wenn mit Interrupts gearbeitet wird, kann es erforderlich sein, vor einem solchen Zugriff auf ein 16-Bit-Register die Interrupt-Bearbeitung zu deaktivieren.

Beim ADC-Datenregister ADCH/ADCL ist die Synchronisierung anders gelöst. Hier wird beim Lesezugriff (ADCH/ADCL sind logischerweise read-only) auf das Low-Byte ADCL beide Teilregister für Zugriffe seitens des ADC so lange gesperrt, bis das High-Byte ADCH ausgelesen wurde. Dadurch kann der ADC nach einem Zugriff auf ADCL keinen neuen Wert in ADCH/ADCL ablegen, bis ADCH gelesen wurde. Ergebnisse von Wandlungen, die zwischen einem Zugriff auf ADCL und ADCH beendet werden, gehen verloren!

Nach einem Zugriff auf ADCL muss grundsätzlich ADCH gelesen werden!

In beiden Fällen – also sowohl bei den Timern als auch beim ADC – werden vom C-Compiler 16-Bit Pseudo-Register zur Verfügung gestellt (z. B. TCNT1H/TCNT1L → TCNT1, ADCH/ADCL → ADC bzw. ADCW), bei deren Verwendung der Compiler automatisch die richtige Zugriffsreihenfolge regelt. In C-Programmen sollten grundsätzlich diese 16-Bit-Register verwendet werden! Sollte trotzdem ein Zugriff auf ein Teilregister erforderlich sein, sind obige Angaben zu berücksichtigen.

Es ist darauf zu achten, dass auch ein Zugriff auf die 16-Bit-Register vom Compiler in zwei 8-Bit-Zugriffe aufgeteilt wird und dementsprechend genauso nicht-atomar ist wie die Einzelzugriffe. Auch hier gilt, dass u.U. die Interrupt-Bearbeitung gesperrt werden muss, um Datenmüll zu vermeiden.

Beim ADC gibt es für den Fall, dass eine Auflösung von 8 Bit ausreicht, die Möglichkeit, das Ergebnis "linksbündig" in ADCH/ADCL auszurichten, so dass die relevanten 8 MSB in ADCH stehen. In diesem Fall muss bzw. sollte nur ADCH ausgelesen werden.

ADC und ADCW sind unterschiedliche Bezeichner für das selbe Registerpaar. Üblicherweise kann man in C-Programmen ADC verwenden, was analog zu den anderen 16-Bit-Registern benannt ist. ADCW (ADC Word) existiert nur deshalb, weil die Headerdateien auch für Assembler vorgesehen sind und es bereits einen Assembler-Befehl namens ''adc'' gibt.

Im Umgang mit 16-Bit Registern siehe auch:
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Related Pages/Frequently Asked Questions/Nr. 8
* Datenblatt Abschnitt ''Accessing 16-bit Registers''

== IO-Register als Parameter und Variablen ==

Um Register als Parameter für eigene Funktionen übergeben zu können, muss man sie als einen volatile uint8_t Pointer übergeben. Zum Beispiel:

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

uint8_t key_pressed (volatile uint8_t *inputreg, uint8_t inputbit)
{
static uint8_t last_state = 0;

if (last_state == (*inputreg & (1<<inputbit)))
return 0; /* keine Änderung */

/* Wenn doch, warten bis etwaiges Prellen vorbei ist: */
_delay_ms(20);

/* Zustand für nächsten Aufruf merken: */
last_state = *inputreg & (1<<inputbit);

/* und den entprellten Tastendruck zurückgeben: */
return *inputreg & (1<<inputbit);
}

/* Beispiel für einen Funktionsaufruf: */

void foo (void)
{
uint8_t i = key_pressed (&PINB, PB1);
}
</c>

Ein Aufruf der Funktion mit call by value würde Folgendes bewirken: Beim Funktionseintritt wird nur eine Kopie des momentanen Portzustandes angefertigt, die sich unabhängig vom tatsächlichen Zustand das Ports nicht mehr ändert, womit die Funktion wirkungslos wäre. Die Übergabe eines Zeigers wäre die Lösung, wenn der Compiler nicht optimieren würde. Denn dadurch wird im Programm nicht von der Hardware gelesen, sondern wieder nur von einem Abbild im Speicher. Das Ergebnis wäre das gleiche wie oben. Mit dem Schlüsselwort volatile sagt man nun dem Compiler, dass die entsprechende Variable entweder durch andere Softwareroutinen (Interrupts) oder durch die Hardware verändert werden kann.

= Zugriff auf IO-Ports =

Jeder AVR implementiert eine unterschiedliche Menge an GPIO-Registern
(GPIO - General Purpose Input/Output). Diese Register dienen dazu:
* einzustellen welche der Anschlüsse ("Beinchen") des Controllers als Ein- oder Ausgänge dienen
* bei Ausgängen deren Zustand festzulegen
* bei Eingängen deren Zustand zu erfassen

Mittels GPIO werden digitale Zustände gesetzt und erfasst, d.h. die Spannung an einem Ausgang wird ein- oder ausgeschaltet und an einem Eingang wird erfasst, ob die anliegende Spannung über oder unter einem bestimmten Schwellwert liegt. Im Datenblatt Abschnitt Electrical Characteristics/DC Characteristics finden sich die Spannungswerte (V_OL, V_OH für Ausgänge, V_IL, V_IH für Eingänge).

Die Verarbeitung von analogen Eingangswerten und die Ausgabe von Analogwerten wird in Kapitel [[AVR-GCC-Tutorial#Analoge_Ein-_und_Ausgabe|Analoge Ein- und Ausgabe]] behandelt.

Alle Ports der AVR-Controller werden über Register gesteuert. Dazu sind jedem Port 3 Register zugeordnet:

{| class="wikitable"
|-
! DDRx
| Datenrichtungsregister für Port'''x'''.
'''x''' entspricht '''A''', '''B''', ''' C''', '''D''' usw. (abhängig von der Anzahl der Ports des verwendeten AVR). Bit im Register gesetzt (1) für Ausgang, Bit gelöscht (0) für Eingang.
|-
! PINx
| Eingangsadresse für Port'''x'''.
Zustand des Ports. Die Bits in PINx entsprechen dem Zustand der als Eingang definierten Portpins. Bit 1 wenn Pin "high", Bit 0 wenn Portpin low.
|-
! PORTx
| Datenregister für Port'''x'''.
Dieses Register wird verwendet, um die Ausgänge eines Ports anzusteuern. Bei Pins, die mittels DDRx auf Eingang geschaltet wurden, können über PORTx
die internen Pull-Up Widerstände aktiviert oder deaktiviert werden (1 = aktiv).
|}

Die folgenden Beispiele gehen von einem AVR aus, der sowohl Port A als auch Port B besitzt. Sie müssen für andere AVRs (zum Beispiel ATmega8/48/88/168) entsprechend angepasst werden.

== Datenrichtung bestimmen ==

Zuerst muss die Datenrichtung der verwendeten Pins bestimmt werden. Um dies zu erreichen, wird das Datenrichtungsregister des entsprechenden Ports beschrieben.

Für jeden Pin, der als Ausgang verwendet werden soll, muss dabei das
entsprechende Bit auf dem Port gesetzt werden. Soll der Pin als Eingang
verwendet werden, muss das entsprechende Bit gelöscht sein.

Beispiel:
Angenommen am Port B sollen die Pins 0 bis 4 als Ausgänge definiert werden, die noch verbleibenden Pins 5 bis 7 sollen als Eingänge fungieren. Dazu ist es daher notwendig, im für das Port B zuständigen Datenrichtungsregister DDRB folgende Bitkonfiguration einzutragen

+---+---+---+---+---+---+---+---+
| 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
+---+---+---+---+---+---+---+---+
7 6 5 4 3 2 1 0

In C liest sich das dann so:

<c>
// in io.h wird u.a. DDRB definiert:
#include <avr/io.h>

int main()
{
// Setzen der Bits 0,1,2,3 und 4
// Binär 00011111 = Hexadezimal 1F
// direkte Zuweisung - standardkonform */
DDRB = 0x1F; /*

// übersichtliche Alternative - Binärschreibweise, aber kein ISO-C
DDRB = 0b00011111;

// Ausführliche Schreibweise: identische Funktionalität, mehr Tipparbeit
// aber übersichtlicher und selbsterklärend:
DDRB = (1 << DDB0) | (1 << DDB1) | (1 << DDB2) | (1 << DDB3) | (1 << DDB4);
</c>

Die Pins 5 bis 7 werden (da 0) als Eingänge geschaltet. Weitere Beispiele:

<c>
// Alle Pins des Ports B als Ausgang definieren:
DDRB = 0xff;
// Pin0 wieder auf Eingang und andere im ursprünglichen Zustand belassen:
DDRB &= ~(1 << DDB0);
// Pin 3 und 4 auf Eingang und andere im ursprünglichen Zustand belassen:
DDRB &= ~((1 << DDB3) | (1 << DDB4));
// Pin 0 und 3 wieder auf Ausgang und andere im ursprünglichen Zustand belassen:
DDRB |= (1 << DDB0) | (1 << DDB3);
// Alle Pins auf Eingang:
DDRB = 0x00;
</c>

== Vordefinierte Bitnummern für I/O-Register ==

Die Bitnummern (z. B. PCx, PINCx und DDCx für den Port C) sind in den io*.h-Dateien der avr-libc definiert und dienen lediglich der besseren Lesbarkeit. Man muss diese Definitionen nicht verwenden oder kann auch einfach "immer" PAx, PBx, PCx usw. nutzen, auch wenn der Zugriff auf Bits in DDRx- oder PINx-Registern erfolgt. Für den Compiler sind die Ausdrücke (1<<PC7), (1<<DDC7) und (1<<PINC7) identisch zu (1<<7) (genauer: der Präprozessor ersetzt die Ausdrücke (1<<PC7),... zu (1<<7)). Ein Ausschnitt der Definitionen für Port C eines ATmega32 aus der iom32.h-Datei zur Verdeutlichung (analog für die weiteren Ports):

<c>
...
/* PORTC */
#define PC7 7
#define PC6 6
#define PC5 5
#define PC4 4
#define PC3 3
#define PC2 2
#define PC1 1
#define PC0 0

/* DDRC */
#define DDC7 7
#define DDC6 6
#define DDC5 5
#define DDC4 4
#define DDC3 3
#define DDC2 2
#define DDC1 1
#define DDC0 0

/* PINC */
#define PINC7 7
#define PINC6 6
#define PINC5 5
#define PINC4 4
#define PINC3 3
#define PINC2 2
#define PINC1 1
#define PINC0 0
</c>

== Digitale Signale ==

Am einfachsten ist es, digitale Signale mit dem Mikrocontroller zu erfassen bzw. auszugeben.

== Ausgänge ==
Will man als Ausgang definierte Pins (entsprechende DDRx-Bits = 1) auf Logisch 1 setzen, setzt man die entsprechenden Bits im Portregister.

Mit dem Befehl
<c>
#include <avr/io.h>
...
PORTB = 0x04; /* besser PORTB=(1<<PB2) */

// übersichtliche Alternative - Binärschreibweise
PORTB = 0b00000100; /* direkte Zuweisung - übersichtlich */

</c>
wird also der Ausgang an Pin PB2 gesetzt (Beachte, dass die Bits immer ''von 0 an'' gezählt werden, das niederwertigste Bit ist also Bitnummer 0 und nicht etwa Bitnummer 1).

Man beachte, dass bei der Zuweisung mittels '''=''' immer alle Pins gleichzeitig angegeben werden. Man sollte also, wenn nur bestimmte Ausgänge geschaltet werden sollen, zuerst den aktuellen Wert des Ports einlesen und das Bit des gewünschten Ports in diesen Wert einfließen lassen. Will man also nur den dritten Pin (Bit Nr. 2) an Port B auf "high" setzen und den Status der anderen Ausgänge unverändert lassen, nutze man diese Form:

<c>
#include <avr/io.h>
...
PORTB = PORTB | 0x04; /* besser: PORTB = PORTB | ( 1<<PB2 ) */
/* vereinfacht durch Nutzung des |= Operators : */
PORTB |= (1<<PB2);

/* auch mehrere "gleichzeitig": */
PORTB |= (1<<PB4) | (1<<PB5); /* Pins PB4 und PB5 "high" */
</c>

"Ausschalten", also Ausgänge auf "low" setzen, erfolgt analog:

<c>
#include <avr/io.h>
...
PORTB &= ~(1<<PB2); /* löscht Bit 2 in PORTB und setzt damit Pin PB2 auf low */
PORTB &= ~( (1<<PB4) | (1<<PB5) ); /* Pin PB4 und Pin PB5 "low" */
</c>
Siehe auch [[Bitmanipulation]]

In Quellcodes, die für ältere Version den des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, werden einzelne Bits mittels der Funktionen sbi und cbi gesetzt bzw. gelöscht. Beide Funktionen sind in aktuellen Versionen der avr-libc nicht mehr enthalten und auch nicht mehr erforderlich.

''Falls der Anfangszustand von Ausgängen kritisch ist, muss die Reihenfolge beachtet werden, mit der die Datenrichtung (DDRx) eingestellt und der Ausgabewert (PORTx) gesetzt wird:''

Für Ausgangspins, die mit Anfangswert "high" initialisiert werden sollen:
* zuerst die Bits im PORTx-Register setzen
* anschließend die Datenrichtung auf Ausgang stellen

Daraus ergibt sich die Abfolge für einen Pin, der bisher als Eingang mit abgeschaltetem Pull-Up konfiguriert war:
* setze PORTx: interner Pull-Up aktiv
* setze DDRx: Ausgang ("high")

Bei der Reihenfolge erst DDRx und dann PORTx kann es zu einem kurzen "low-Puls" kommen, der auch externe Pull-Up-Widerstände "überstimmt". Die (ungünstige) Abfolge: Eingang -> setze DDRx: Ausgang (auf "low", da PORTx nach Reset 0) -> setze PORTx: Ausgang auf high. Vergleiche dazu auch das Datenblatt Abschnitt ''Configuring the Pin''.

== Eingänge (Wie kommen Signale in den µC) ==

Die digitalen Eingangssignale können auf verschiedene Arten zu unserer Logik gelangen.

=== Signalkopplung ===

Am einfachsten ist es, wenn die Signale direkt aus einer anderen digitalen Schaltung übernommen werden können. Hat der Ausgang der entsprechenden Schaltung TTL-Pegel dann können wir sogar direkt den Ausgang der Schaltung mit einem Eingangspin von unserem Controller verbinden.

Hat der Ausgang der anderen Schaltung keinen TTL-Pegel so müssen wir den Pegel über entsprechende Hardware (z. B. Optokoppler, [[Widerstand#Spannungsteiler|Spannungsteiler]], "Levelshifter" aka [[Pegelwandler]]) anpassen.

Die Masse der beiden Schaltungen muss selbstverständlich miteinander verbunden werden. Der Software selber ist es natürlich letztendlich egal, wie das Signal eingespeist wird. Wir können ja ohnehin lediglich prüfen, ob an einem Pin unseres Controllers eine logische 1 (Spannung größer ca. 0,7*Vcc) oder eine logische 0 (Spannung kleiner ca. 0,2*Vcc) anliegt. Detaillierte Informationen darüber, ab welcher Spannung ein Eingang als 0 ("low") bzw. 1 ("high") erkannt wird, liefert die Tabelle DC Characteristics im Datenblatt des genutzten Controllers.

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''Spannungstabelle''' (ca. Grenzwerte)
|
! Low || High
|-
! bei 5 V
| 1 V || 3,5 V
|-
! bei 3,3 V
| 0,66 V || 2,31 V
|-
! bei 1,8 V
| 0,36 V || 1,26 V
|}

Die Abfrage der Zustände der Portpins erfolgt direkt über den Registernamen.

{{Warnung|Dabei ist wichtig, zur Abfrage der Eingänge ''nicht'' etwa Portregister '''PORTx''' zu verwenden, sondern Eingangsregister '''PINx'''. Ansonsten liest man nicht den Zustand der Eingänge, sondern den Status der internen Pull-Up-Widerstände. Die Abfrage der Pinzustände über PORTx statt PINx ist ein häufiger Fehler beim AVR-"Erstkontakt".}}

Will man also die aktuellen Signalzustände von Port D abfragen und in eine Variable namens bPortD abspeichern, schreibt man folgende Befehlszeilen:

<c>
#include <avr/io.h>
#include <stdint.h>
...
uint8_t bPortD;
...
bPortD = PIND;
...
</c>

Mit den C-Bitoperationen kann man den Status der Bits abfragen.

<c>
#include <avr/io.h>
...
/* Fuehre Aktion aus, wenn Bit Nr. 1 (das "zweite" Bit) in PINC gesetzt (1) ist */
if ( PINC & (1<<PINC1) ) {
/* Aktion */
}

/* Fuehre Aktion aus, wenn Bit Nr. 2 (das "dritte" Bit) in PINB geloescht (0) ist */
if ( !(PINB & (1<<PINB2)) ) {
/* Aktion */
}
...
</c>
Siehe auch [[Bitmanipulation#Bits_prüfen]]

=== Interne Pull-Up Widerstände ===

Portpins für Ein- und Ausgänge (GPIO) eines AVR verfügen über zuschaltbare interne Pull-Up Widerstände (nominal mehrere 10kOhm, z. B. ATmega16 20-50kOhm). Diese können in vielen Fällen statt externer Widerstände genutzt werden.

Die internen Pull-Up Widerstände von Vcc zu den einzelnen Portpins werden über das Register ''' PORTx''' aktiviert bzw. deaktiviert, wenn ein Pin als ''' Eingang''' geschaltet ist.

Wird der Wert des entsprechenden Portpins auf 1 gesetzt, so ist der Pull-Up Widerstand aktiviert. Bei einem Wert von 0 ist der Pull-Up Widerstand nicht aktiv. Man sollte jeweils entweder den internen oder einen externen Pull-Up Widerstand verwenden, aber nicht beide zusammen.

Im Beispiel werden alle Pins des Ports D als Eingänge geschaltet und alle Pull-Up Widerstände aktiviert. Weiterhin wird Pin PC7 als Eingang geschaltet und dessen interner Pull-Up Widerstand aktiviert, ohne die Einstellungen für die anderen Portpins (PC0-PC6) zu verändern.

<c>
#include <avr/io.h>
...
DDRD = 0x00; /* alle Pins von Port D als Eingang */
PORTD = 0xff; /* interne Pull-Ups an allen Port-Pins aktivieren */
...
DDRC &= ~(1<<PC7); /* Pin PC7 als Eingang */
PORTC |= (1<<PC7); /* internen Pull-Up an PC7 aktivieren */
</c>

=== Tasten und Schalter ===

Der Anschluss mechanischer Kontakte an den Mikrocontroller, ist zwischen zwei unterschiedliche Methoden zu unterscheiden: ''Active Low'' und ''Active High''.

<gallery widths="300" heights="300" caption="Anschluss mechanischer Kontakte an einen µC">
Image:Active Low.gif|'''Active Low:''' Bei dieser Methode wird der Kontakt zwischen den Eingangspin des Controllers und Masse geschaltet. Damit bei offenem Schalter der Controller kein undefiniertes Signal bekommt, wird zwischen die Versorgungsspannung und den Eingangspin ein sogenannter '''Pull-Up''' Widerstand geschaltet. Dieser dient dazu, den Pegel bei geöffnetem Schalter auf logisch 1 zu ziehen.
Image:Active High.gif|'''Active High:''' Hier wird der Kontakt zwischen die Versorgungsspannung und den Eingangspin geschaltet. Damit bei offener Schalterstellung kein undefiniertes Signal am Controller ansteht, wird zwischen den Eingangspin und die Masse ein '''Pull-Down''' Widerstand geschaltet. Dieser dient dazu, den Pegel bei geöffneter Schalterstellung auf logisch 0 zu halten.
</gallery>

Der Widerstandswert von Pull-Up- und Pull-Down-Widerständen ist an sich nicht kritisch. Wird er allerdings zu hoch gewählt, ist die Wirkung eventuell nicht gegeben. Als üblicher Wert haben sich 10 kOhm eingebürgert. Die AVRs verfügen an den meisten Pins über zuschaltbare interne Pull-Up Widerstände (vgl. Abschnitt [[AVR-GCC-Tutorial#Interne Pull-Up Widerstände|Interne Pull-Up Widerstände]]), welche insbesondere wie hier bei Tastern und ähnlichen Bauteilen (z. B. Drehgebern) statt externer Bauteile verwendet werden können. Interne Pull-Down-Widerstand sind nicht verfügbar und müssen daher in Form zusätzlicher Bauteile in die Schaltung eingefügt werden.

==== (Tasten-)Entprellung ====

Siehe: ''[[Entprellung#Warteschleifen-Verfahren|Entprellung: Warteschleifen-Verfahren]]

= Analoge Ein- und Ausgabe =

Analoge Eingangswerte werden in der Regel über den AVR Analog-Digital-Converter (AD-Wandler, ADC) eingelesen, der in vielen Typen verfügbar ist (typisch 10bit Auflösung). Durch diesen werden analoge Signale (Spannungen) in digitale Zahlenwerte gewandelt. Bei AVRs, die über keinen internen AD-Wandler verfügen (z. B. ATmega162), kann durch externe Beschaltung (R/C-Netzwerk und "Zeitmessung") die Funktion des AD-Wandlers "emuliert" werden.

Es gibt innerhalb der ATMega- und ATTiny-AVR Reihe keine Typen mit eingebautem Digital-Analog-Konverter (DAC) - diese Funktion ist erst ab der XMEGA-Reihe der AVR-Familie verfügbar, die aber wegen ihrer vielen Unterschiede im Umfang dieses Tutorials nicht behandelt wird.
Die Umsetzung zu einer analogen Spannung muss daher durch externe Komponenten vorgenommen werden. Das kann z. B. durch PWM und deren Filterung zu (fast) DC, oder einem sogenannten R2R-Netzwerk erfolgen.

Unabhängig davon besteht natürlich immer die Möglichkeit, spezielle Bausteine zur Analog-Digital- bzw. Digital-Analog-Wandlung zu nutzen und diese über eine digitale Schnittstelle (z.b. SPI oder I2C) mit einem AVR anzusteuern.

== AC (Analog Comparator) ==

Der Comparator vergleicht 2 Spannungen an den Pins AIN0 und AIN1 und gibt einen Status aus welche der beiden Spannungen größer ist. AIN0 Dient dabei als Referenzspannung (Sollwert) und AIN1 als Vergleichsspannung (Istwert). Als Referenzspannung kann auch alternativ eine interne Referenzspannung ausgewählt werden.

Liegt die Vergleichsspannung (IST) unter der der Referenzspannung (SOLL) gibt der Comperator eine logische 1 aus. Ist die Vergleichsspannung hingegen größer als die Referenzspannung wird eine logische 0 ausgegeben.

Der Comparator arbeitet völlig autark bzw. parallel zum Prozessor. Für mobile Anwendungen empfiehlt es sich ihn abzuschalten sofern er nicht benötigt wird, da er ansonsten Strom benötigt. Der Comparator kann Interruptgesteuert abgefragt werden oder im Pollingbetrieb.

Das Steuer- bzw. Statusregister ist wie folgt aufgebaut:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''ACSR - Analog Comparator Status Register'''
|-
! Bit
| 7|| 6|| 5|| 4|| 3|| 2|| 1|| 0
|-
! Name
| '''ACD'''|| '''ACBG'''|| '''ACO'''|| '''ACI'''|| '''ACIE'''|| '''ACIC'''|| '''ACIS1'''|| '''ACIS0'''
|-
! R/W
| R/W|| R/W|| R|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W
|-
! Initialwert
| 0|| 0|| n/a|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0
|}

;Bit 7 ACD: Analog Comparator Disable: 0 = Comparator ein, 1 = Comparator aus. Wird dieses Bit geändert kann ein Interrupt ausgelöst werden. Soll dies vermieden werden muss das Bit 3 ACIE ggf. abgeschaltet werden.

;Bit 6 ACBG: Analog Comparator Bandgap Select: Ermöglicht das umschalten zwischen interner und externer Referenzspannung. 1 = interne (~1,3 Volt), 0 = externe Referenzspannung (an Pin AIN0)

;Bit 5 ACO: Analog Comparator Output: Hier wird das Ergebnis des Vergleichs angezeigt. Es liegt typischerweise nach 1-2 Taktzyklen vor.
:: IST < SOLL → 1
:: IST > SOLL → 0

;Bit 4 ACI: Analog Comparator Interrupt Flag: Dieses Bit wird von der Hardware gesetzt, wenn ein Interruptereignis, das in Bit 0 und 1 definiert ist, eintritt. Dieses Bit löst noch keinen Interrupt aus! Die Interruptroutine wird nur dann ausgeführt, wenn das Bit 3 ACIE gesetzt ist und global Interrupts erlaubt sind (I-Bit in SREG gesetzt). Das Bit 4 ACI wird wieder gelöscht, wenn die Interruptroutine ausgeführt wurde oder wenn es manuell auf 1! gesetzt wird. Das Bit kann für Abfragen genutzt werden, steuert oder konfiguriert aber nicht den Comparator.

;Bit 3 ACIE: Analog Comparator Interrupt Enable: Ist das Bit auf 1 gesetzt, wird immer ein Interrupt ausgelöst, wenn das Ereignis das in Bit 1 und 0 definiert ist, eintritt.

;Bit 2 ACIC: Analog Comparator Input Capture Enable: Wird das Bit gesetzt, wird der Comparatorausgang intern mit dem Counter 1 verbunden. Es könnten damit z.b. die Anzahl der Vergleiche im Counter1 gezählt werden. Um den Comparator an den Timer1 Input Capture Interrupt zu verbinden, muss im Timerregister das TICIE1 Bit auf 1 gesetzt werden. Der Trigger wird immer dann ausgelöst, wenn das in Bit 1 und 0 definierte Ereignis eintritt.

;Bit 1,0 ACIS1,ACIS0: Analog Comparator Interrupt select: Hier wird definiert, welche Ereignisse einen Interrupt auslösen sollen:
:* 00 = Interrupt auslösen bei jedem Flankenwechsel
:* 10 = Interrupt auslösen bei fallender Flanke
:* 11 = Interrupt auslösen bei steigender Flanke

Werden diese Bit geändert, kann ein Interrupt ausgelöst werden. Soll dies vermieden werden, muss das Bit 3 gelöscht werden.

== ADC (Analog Digital Converter) ==

Der Analog-Digital-Konverter (ADC) wandelt analoge Signale in digitale Werte um, welche vom Controller interpretiert werden können. Einige AVR-Typen haben bereits einen mehrkanaligen Analog-Digital-Konverter eingebaut. Die Feinheit, mit welcher ein analoges Signal aufgelöst werden kann, wird durch die Auflösung des ADC, d.h. durch die Anzahl der verwendeten Bits angegeben. So sind derzeit bspw. 8-Bit- oder 10-Bit-ADC im Einsatz. ADCs, die in AVRs enthalten sind, haben zur Zeit eine maximale Auflösung von 10-Bit.

Ein ADC mit 8 Bit Auflösung kann somit das analoge Signal in Abstufungen von 1/256 des Maximalwertes digitalisieren. Wenn wir nun mal annehmen, wir hätten eine Eingangspannung zwischen 0 und 5 Volt, eine Referenzspannung von 5 V und eine Auflösung von 3 Bit, dann könnten
Intervalle mit den Grenzen 0 V, 0.625 V, 1.25 V, 1.875 V, 2.5 V, 3.125 V, 3.75 V, 4.375 V, 5 V entsprechend folgender Tabelle unterschieden werden:

::{| class="wikitable" style="text-align:center"
! Eingangsspannung am ADC / V || Entsprechender Messwert
|-
| 0 – 0.625 || 0
|-
| 0.625 – 1.25 || 1
|-
| 1.25 – 1.875 || 2
|-
| 1.875 – 2.5 || 3
|-
| 2.5 – 3.125 || 4
|-
| 3.125 – 3.75 || 5
|-
| 3.75 – 4.375 || 6
|-
| 4.375 – 5 || 7
|}

Die Angaben sind natürlich nur ungefähr. Je höher nun die Auflösung des Analog-Digital-Konverters ist, also, je mehr Bits er hat, desto genauer kann der jeweilige Wert erfasst werden.

=== Der interne ADC im AVR ===

Oft sind auch mehrere Kanäle verfügbar. Kanäle heißt in diesem Zusammenhang, dass zwar bis zu zehn analoge Eingänge am AVR vorhanden sind, aber nur ein "echter" Analog-Digital-Wandler zur Verfügung steht. Vor der eigentlichen Messung ist also festzulegen, welcher Kanal ("Pin") mit dem Wandler verbunden und gemessen wird.

Die Umwandlung innerhalb des AVR basiert auf der schrittweisen Näherung. Beim AVR müssen die Pins '''AGND''' und '''AVCC''' beschaltet werden. Für genaue Messungen sollte AVCC über ein L-C Netzwerk mit VCC verbunden werden, um Spannungsspitzen und -einbrüche vom Analog-Digital-Wandler fernzuhalten. Im Datenblatt findet sich dazu eine Schaltung, die 10uH und 100nF vorsieht.

Das Ergebnis der Analog-Digital-Wandlung wird auf eine Referenzspannung bezogen. Aktuelle AVRs bieten drei Möglichkeiten zur Wahl dieser Spannung:

* Eine externe Referenzspannung von maximal '''Vcc''' am Anschlusspin '''AREF'''. Die minimale (externe) Referenzspannung darf jedoch nicht beliebig niedrig sein, vgl. dazu das (aktuellste) Datenblatt des verwendeten Controllers.

* Verfügt der AVR über eine interne Referenzspannung, kann diese genutzt werden. Alle aktuellen AVRs mit internem AD-Wandler sollten damit ausgestattet sein (vgl. Datenblatt: 2,56V oder 1,1V je nach Typ). Das Datenblatt gibt auch über die Genauigkeit dieser Spannung Auskunft.

* Es kann die Spannung AVcc als Referenzspannung herangezogen werden

Bei Nutzung von AVcc oder der internen Referenz wird empfohlen, einen Kondensator zwischen dem AREF-Pin und GND anzuordnen. Die Festlegung, welche Spannungsreferenz genutzt wird, erfolgt z. B. beim ATmega16 mit den Bits REFS1/REFS0 im ADMUX-Register. Die zu messende Spannung muss im Bereich zwischen '''AGND''' und '''AREF''' (egal ob intern oder extern) liegen.

Der '''ADC''' kann in zwei verschiedenen Betriebsarten verwendet werden:

; Einfache Wandlung (Single Conversion) : In dieser Betriebsart wird der Wandler bei Bedarf vom Programm angestoßen für jeweils eine Messung.

; Frei laufend (Free Running) : In dieser Betriebsart erfasst der Wandler permanent die anliegende Spannung und schreibt diese in das '''ADC Data Register'''.

==== Die Register des ADC ====

Der '''ADC''' verfügt über eigene Register. Im Folgenden die Registerbeschreibung eines ATMega16, welcher über 8 ADC-Kanäle verfügt. Die Register unterscheiden sich jedoch nicht erheblich von denen anderer AVRs (vgl. Datenblatt).

{| class="wikitable"
|-
| '''ADCSRA   '''
| '''ADC''' '''C'''ontrol and '''S'''tatus '''R'''egister A. 
In diesem Register stellen wir ein, wie wir den '''ADC''' verwenden möchten. 
Das Register ist wie folgt aufgebaut:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7|| 6|| 5|| 4|| 3|| 2|| 1|| 0
|-
! Name
| '''ADEN'''|| '''ADSC'''|| '''ADFR'''|| '''ADIF'''|| '''ADIE'''|| '''ADPS2'''|| '''ADPS1'''|| '''ADPS0'''
|-
! R/W
| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W
|-
! Initialwert
| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0
|}

'''ADEN''' ('''AD'''C '''En'''able)
:Dieses Bit muss gesetzt werden, um den ''' ADC''' überhaupt zu aktivieren. Wenn das Bit nicht gesetzt ist, können die Pins wie normale I/O-Pins verwendet werden.

'''ADSC''' ('''AD'''C '''S'''tart '''C'''onversion)
:Mit diesem Bit wird ein Messvorgang gestartet. In der frei laufenden Betriebsart muss das Bit gesetzt werden, um die kontinuierliche Messung zu aktivieren.
:Wenn das Bit nach dem Setzen des '''ADEN'''-Bits zum ersten Mal gesetzt wird, führt der Controller zuerst eine zusätzliche Wandlung und erst dann die eigentliche Wandlung aus. Diese zusätzliche Wandlung wird zu Initialisierungszwecken durchgeführt.
:Das Bit bleibt nun so lange auf 1, bis die Umwandlung abgeschlossen ist, im Initialisierungsfall entsprechend bis die zweite Umwandlung erfolgt ist und geht danach auf 0.

'''ADFR''' ('''AD'''C '''F'''ree '''R'''un select)
:Mit diesem Bit wird die Betriebsart eingestellt.
:Ist das Bit auf 1 gesetzt arbeitet der ADC im "Free Running"-Modus. Dabei wird das Datenregister permanent aktualisiert. Ist das Bit hingegen auf 0 gesetzt, macht der ADC nur eine "Single Conversion".

'''ADIF''' ('''AD'''C '''I'''nterrupt '''F'''lag)
:Dieses Bit wird vom ''' ADC''' gesetzt, sobald eine Umwandlung erfolgt ist und das '''ADC Data Register''' aktualisiert wurde. Das Bit wird bei lesendem Zugriff auf '''ADC(L,H)''' automatisch (d.h. durch die Hardware) gelöscht.
:Wenn das '''ADIE''' Bit sowie das '''I-Bit''' im AVR '''Statusregister''' gesetzt ist, wird der '''ADC Interrupt''' ausgelöst und die Interrupt-Behandlungsroutine aufgerufen.
:Das Bit wird automatisch gelöscht, wenn die Interrupt-Behandlungsroutine aufgerufen wird. Es kann jedoch auch gelöscht werden, indem eine logische '''1'''! in das Register geschrieben wird.

'''ADIE''' ('''AD'''C '''I'''nterrupt '''E'''nable)
:Wenn dieses Bit gesetzt ist und ebenso das ''' I-Bit''' im Statusregister '''SREG''', dann wird der ''' ADC-Interrupt''' aktiviert.

'''ADPS2...ADPS0''' ('''AD'''C '''P'''rescaler '''S'''elect Bits)
:Diese Bits bestimmen den Teilungsfaktor zwischen der Taktfrequenz und dem Eingangstakt des '''ADC'''.
:Der '''ADC''' benötigt einen eigenen Takt, welchen er sich selber aus der CPU-Taktfreqenz erzeugt. Der '''ADC'''-Takt sollte zwischen 50 und 200kHz liegen.
:Der Vorteiler muss also so eingestellt werden, dass CPU-Taktfrequenz dividiert durch den Teilungsfaktor einen Wert im Bereich '''(50-200)kHz''' ergibt.
:Bei einer CPU-Taktfrequenz von 4MHz beispielsweise rechnen wir

:<math>
\begin{matrix}
TF_{min}=\frac{CLK}{200\,\mathrm{kHz}}=\frac{4000000}{200000}=\mathbf{20}
\\
\\
TF_{max}=\frac{CLK}{50\,\mathrm{kHz}}=\frac{4000000}{50000}=\mathbf{80}
\end{matrix}
</math>

:Somit kann hier der Teilungsfaktor 32 oder 64 verwendet werden. Im Interesse der schnelleren Wandlungszeit werden wir hier den Faktor 32 einstellen.

:{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! '''ADPS2'''|| '''ADPS1'''|| '''ADPS0'''|| '''Teilungsfaktor'''
|-
| 0|| 0|| 0|| 2
|-
| 0|| 0|| 1|| 2
|-
| 0|| 1|| 0|| 4
|-
| 0|| 1|| 1|| 8
|-
| 1|| 0|| 0|| 16
|-
| 1|| 0|| 1|| 32
|-
| 1|| 1|| 0|| 64
|-
| 1|| 1|| 1|| 128
|}

|-
| '''ADCL''' 
'''ADCH'''
| '''ADC ''' Data Register 
Wenn eine Umwandlung abgeschlossen ist, befindet sich der gemessene Wert in
diesen beiden Registern. Von '''ADCH''' werden nur die beiden niederwertigsten Bits verwendet. Es müssen immer beide Register ausgelesen werden, und zwar immer '''in der Reihenfolge: ADCL, ADCH'''.
Der effektive Messwert ergibt sich dann zu:

<c>
x = ADCL; // mit uint16_t x
x += (ADCH<<8); // in zwei Zeilen (LSB/MSB-Reihenfolge und
// C-Operatorpriorität sichergestellt)
</c>

oder

<c>
x = ADCW; // je nach AVR auch x = ADC (siehe avr/ioxxx.h)
</c>

|-
| '''ADMUX  '''
| '''AD'''C '''Mu'''ltiple'''x'''er Select Register 
Mit diesem Register wird der zu messende Kanal ausgewählt. Beim 90S8535
kann jeder Pin von Port A als '''ADC'''-Eingang verwendet werden (=8 Kanäle). 
Das Register ist wie folgt aufgebaut:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7|| 6|| 5|| 4|| 3|| 2|| 1|| 0
|-
! Name
| '''REFS1'''|| '''REFS0'''|| '''ADLAR'''|| '''MUX4'''|| '''MUX3'''|| '''MUX2'''|| '''MUX1'''|| '''MUX0'''
|-
! '''R/W'''
| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W
|-
! Initialwert
| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0
|}

'''REFS1...REFS0''' ('''Ref'''erence'''S'''election Bits)
:Mit diesen Bits kann die Referenzspannung eingestellt werden. Bei der Umstellung sind Wartezeiten zu beachten, bis die ADC-Hardware einsatzfähig ist (Datenblatt und [http://www.mikrocontroller.net/topic/165513]):

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! '''REFS1'''|| '''REFS0'''|| '''Referenzspanung'''
|-
| 0|| 0|| Externes AREF
|-
| 0|| 1|| AVCC als Referenz
|-
| 1|| 0|| Reserviert
|-
| 1|| 1|| Interne 2,56 Volt
|}

'''ADLAR''' ('''ADC ''' '''L'''eft '''A'''djust '''R'''esult)
:Das ADLAR Bit verändert das Aussehen des Ergebnisses der AD-Wandlung. Bei einer logischen 1 wird das Ergebnis linksbündig ausgegeben, bei einer 0 rechtsbündig. Eine Änderung in diesem Bit beeinflusst das Ergebnis sofort, ganz egal ob bereits eine Wandlung läuft.

'''MUX4...MUX0'''
:Mit diesen 5 Bits wird der zu messende Kanal bestimmt. Wenn man einen einfachen 1-kanaligen ADC verwendet wird einfach die entsprechende Pinnummer des Ports in die Bits 0...4 eingeschrieben (je nach Anzahl der Wandler des AVR, bei 8 AD-Kanälen halt nur 0...2).
:Wenn das Register beschrieben wird, während eine Umwandlung läuft, so wird zuerst die aktuelle Umwandlung auf dem bisherigen Kanal beendet. Dies ist vor allem beim frei laufenden Betrieb zu berücksichtigen.

:Eine Empfehlung ist deswegen diese, dass der frei laufende Betrieb nur bei einem einzelnen zu verwendenden Analogeingang verwendet werden sollte, wenn man sich Probleme bei der Umschalterei ersparen will.
|}

==== Nutzung des ADC ====

Um den ''' ADC''' zu aktivieren, müssen wir das '''ADEN'''-Bit im '''ADCSR'''-Register setzen. Im gleichen Schritt legen wir auch die Betriebsart fest.

Ein kleines Beispiel für den "single conversion"-Mode bei einem ATmega169 und Nutzung der internen Referenzspannung (beim '169 1,1V bei anderen AVRs auch 2,56V). D.h. das Eingangssignal darf diese Spannung nicht überschreiten, gegebenenfalls muss es mit einem [[Spannungsteiler]] verringert werden. Das Ergebnis der Routine ist der ADC-Wert, also 0 für 0-Volt und 1023 für V_ref-Volt.

In der praktischen Anwendung wird man zum Programmstart den ADC erst einmal grundlegend konfigurieren und dann auf verschiedenen Kanälen messen. Diese beiden Dinge sollte man meist trennen, denn das Einschalten des ADC und vor allem der Referenzspannung dauert ein paar Dutzend Mikrosekunden. Außerdem ist das erste Ergebnis nach dem Einschalten ungültig und muss verworfen werden.

<c>

/* ADC initialisieren */
void ADC_Init(void) {

uint16_t result;

// ADMUX = (0<<REFS1) | (1<<REFS0); // AVcc als Referenz benutzen
ADMUX = (1<<REFS1) | (1<<REFS0); // interne Referenzspannung nutzen
ADCSRA = (1<<ADPS1) | (1<<ADPS0); // Frequenzvorteiler
ADCSRA |= (1<<ADEN); // ADC aktivieren

/* nach Aktivieren des ADC wird ein "Dummy-Readout" empfohlen, man liest
also einen Wert und verwirft diesen, um den ADC "warmlaufen zu lassen" */

ADCSRA |= (1<<ADSC); // eine ADC-Wandlung
while (ADCSRA & (1<<ADSC) ) {} // auf Abschluss der Konvertierung warten
/* ADCW muss einmal gelesen werden, sonst wird Ergebnis der nächsten
Wandlung nicht übernommen. */
result = ADCW;
}

/* ADC Einzelmessung */
uint16_t ADC_Read( uint8_t channel )
{
// Kanal waehlen, ohne andere Bits zu beeinflußen
ADMUX = (ADMUX & ~(0x1F)) | (channel & 0x1F);
ADCSRA |= (1<<ADSC); // eine Wandlung "single conversion"
while (ADCSRA & (1<<ADSC) ) {} // auf Abschluss der Konvertierung warten
return ADCW; // ADC auslesen und zurückgeben
}

/* ADC Mehrfachmessung mit Mittelwertbbildung */
uint16_t ADC_Read_Avg( uint8_t channel, uint8_t average )
{
uint32_t result = 0;

for (uint8_t i = 0; i < average; ++i )
result += ADC_Read( channel );

return (uint16_t)( result / average );
}

...

/* Beispielaufrufe: */

int main()
{
uint16_t adcval;
ADC_Init();

while( 1 ) {
adcval = ADC_Read(0); // Kanal 0
// mach was mit adcval

adcval = ADC_Read_Avg(2, 4); // Kanal 2, Mittelwert aus 4 Messungen
// mach was mit adcval
}
}

</c>

Im Beispiel läuft der ADC ständig. Für den Fall, dass man Strom sparen will, z.B. mittels Verwendung des [[Sleep Mode]]s, muss man den ADC nach jeder Messung abschalten und vor der nächsten Messung wieder einschalten, wobei auch dann wieder eine kleine Pause und Anfangswandlung nötig sind.



=== Analog-Digital-Wandlung ohne internen ADC ===

==== Messen eines Widerstandes ====

[[Image:Poti.gif|framed|right]]
Analoge Werte lassen sich ohne Analog-Digital-Wandler auch indirekt ermitteln. Im Folgenden wird die Messung des an einem Potentiometer eingestellten Widerstands anhand der Ladekurve eines Kondensators erläutert. Bei dieser Methode wird nur ein Portpin benötigt, ein Analog-Digital-Wandler oder Analog-Comparator ist nicht erforderlich. Es wird dazu ein Kondensator und der Widerstand (das Potentiometer) in Reihe zwischen Vorsorgungsspannung und Masse/GND geschaltet (sogen. RC-Netzwerk). Zusätzlich wird eine Verbindung der Leitung zwischen Kondensator und Potentiometer zu einem Portpin des Controllers hergestellt. Die folgende Abbildung verdeutlicht die erforderliche Schaltung.

Wird der Portpin des Controllers auf Ausgang konfiguriert (im Beispiel ''DDRD |= (1<<PD2)'') und dieser Ausgang auf Logisch 1 ("High", ''PORTD |= (1<<PD2)'') geschaltet, liegt an beiden "Platten" des Kondensators das gleiche Potential '''VCC''' an und der Kondensator somit entladen. (Klingt komisch, mit ''' Vcc''' entladen, ist aber so, da an beiden Seiten des Kondensators das gleiche Potential anliegt und somit eine Potentialdifferenz von 0V besteht => Kondensator ist entladen).

Nach einer gewissen Zeit ist der Kondensator entladen und der Portpin wird als Eingang konfiguriert (''DDRD &= ~(1<<PD2); PORTD &= ~(1<<PD2)''), wodurch dieser hochohmig wird. Der Status des Eingangspin (in PIND) ist Logisch 1 (High). Der Kondensator lädt sich jetzt über das Poti auf, dabei steigt der Spannungsabfall über dem Kondensator und derjenige über dem Poti sinkt. Fällt nun der Spannungsabfall über dem Poti unter die Threshold-Spannung des Eingangspins (2/5 Vcc, also ca. 2V), wird das Eingangssignal als LOW erkannt (Bit in PIND wird 0). Die Zeitspanne zwischen der Umschaltung von Entladung auf Aufladung und dem Wechsel des Eingangssignals von High auf Low ist ein Maß für den am Potentiometer eingestellten Widerstand. Zur Zeitmessung kann einer der im Controller vorhandenen Timer genutzt werden. Der 220 Ohm Widerstand dient dem Schutz des Controllers. Es würde sonst bei Maximaleinstellung des Potentionmeters (hier 0 Ohm) ein zu hoher Strom fließen, der die Ausgangsstufe des Controllers zerstört.

Mit einem weiteren Eingangspin und ein wenig Software können wir auch eine Kalibrierung realisieren, um den Messwert in einen vernünftigen Bereich (z.B: 0...100 % oder so) umzurechnen.



==== ADC über Komparator ====

[[Image:ADC ueber Komparator.gif|framed|right]]
Es gibt einen weiteren Weg, eine analoge Spannung mit Hilfe des
Komparators, welcher in fast jedem AVR integriert ist, zu messen. Siehe dazu
auch die Application Note AVR400 von Atmel.

Dabei wird das zu messende Signal auf den invertierenden Eingang
des Komparators geführt. Zusätzlich wird ein Referenzsignal an den nicht
invertierenden Eingang des Komparators angeschlossen. Das Referenzsignal wird
hier auch wieder über ein RC-Glied erzeugt, allerdings mit festen Werten für R
und C.

Das Prinzip der Messung ist nun dem vorhergehenden recht
ähnlich. Durch Anlegen eines LOW-Pegels an Pin 2 wird der Kondensator zuerst
einmal entladen. Auch hier muss darauf geachtet werden, dass der Entladevorgang
genügend lang dauert.
Nun wird Pin 2 auf HIGH gelegt. Der Kondensator wird geladen. Wenn die Spannung
über dem Kondensator die am Eingangspin anliegende Spannung erreicht hat,
schaltet der Komparator durch. Die Zeit, welche benötigt wird, um den
Kondensator zu laden, kann nun auch wieder als Maß für die Spannung an Pin 1
herangezogen werden.

Ich habe es mir gespart, diese Schaltung auch aufzubauen, und zwar aus mehreren Gründen:

# 3 Pins notwendig.
# Genauigkeit vergleichbar mit einfacherer Lösung.
# War einfach zu faul.

Der Vorteil dieser Schaltung liegt allerdings darin, dass damit direkt Spannungen gemessen werden können.

== DAC (Digital Analog Converter) ==

Mit Hilfe eines Digital-Analog-Konverters ('''DAC''') können wir nun auch Analogsignale ausgeben. Es gibt hier mehrere Verfahren. 

=== DAC über mehrere digitale Ausgänge ===

Wenn wir an den Ausgängen des Controllers ein entsprechendes
Widerstandsnetzwerk aufbauen haben wir die Möglichkeit, durch die Ansteuerung
der Ausgänge über den Widerständen einen Addierer aufzubauen, mit dessen
Hilfe wir eine dem Zahlenwert proportionale Spannung erzeugen können. Das
Schaltbild dazu kann etwa so aussehen:

[[Image:DAC R2R.gif]]

Es sollten selbstverständlich möglichst genaue Widerstände verwendet
werden, also nicht unbedingt solche mit einer Toleranz von 10% oder mehr.
Weiterhin empfiehlt es sich, je nach Anwendung den Ausgangsstrom über einen
Operationsverstärker zu verstärken.

=== PWM (Pulsweitenmodulation) ===

Wir kommen nun zu einem Thema, welches in aller Munde ist, aber viele
Anwender verstehen nicht ganz, wie [[PWM]] eigentlich funktioniert.

Wie wir alle wissen, ist ein Mikrocontroller ein rein digitales Bauteil.
Definieren wir einen Pin als Ausgang, dann können wir diesen Ausgang entweder
auf HIGH setzen, worauf am Ausgang die Versorgungsspannung ''' Vcc''' anliegt, oder aber wir setzen den Ausgang auf LOW, wonach dann ''' 0V''' am Ausgang liegt. Was passiert aber nun, wenn wir periodisch mit einer festen Frequenz zwischen HIGH und LOW umschalten? - Richtig, wir erhalten eine Rechteckspannung, wie die folgende Abbildung zeigt:

[[Image:PWM Theorie 1.gif]]

Diese Rechteckspannung hat nun einen arithmetischen Mittelwert,
der je nach Pulsbreite kleiner oder größer ist.

[[Image:PWM Theorie 2.gif]]

Wenn wir nun diese pulsierende Ausgangsspannung noch über ein RC-Glied filtern/"glätten", dann haben wir schon eine entsprechende Gleichspannung erzeugt.

Mit den AVRs können wir direkt PWM-Signale erzeugen.
Dazu dient der 16-Bit Zähler, welcher im sogenannten PWM-Modus betrieben werden kann.

;Hinweis: In den folgenden Überlegungen wird als Controller der 90S2313 vorausgesetzt. Die Theorie ist bei anderen AVR-Controllern vergleichbar, die Pinbelegung allerdings nicht unbedingt, weshalb ein Blick ins entsprechende Datenblatt dringend angeraten wird.

Um den PWM-Modus zu aktivieren, müssen im Timer/Counter1 Control
Register A TCCR1A die Pulsweiten-Modulatorbits PWM10 bzw. PWM11 entsprechend nachfolgender Tabelle gesetzt werden:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! PWM11 || PWM10 || Bedeutung
|-
| 0 || 0 || PWM-Modus des Timers ist nicht aktiv
|-
| 0 || 1 || 8-Bit PWM
|-
| 1 || 0 || 9-Bit PWM
|-
| 1 || 1 || 10-Bit PWM
|}

Der Timer/Counter zählt nun permanent von 0 bis zur Obergrenze
und wieder zurück, er wird also als sogenannter Auf-/Ab Zähler betrieben.
Die Obergrenze hängt davon ab, ob wir mit 8, 9 oder 10-Bit PWM arbeiten wollen:

{| class="wikitable"
|-
! Auflösung || Obergrenze || Frequenz
|-
| align="center" | 8
| align="center" | 255
| fTC1 / 510
|-
| align="center" | 9
| align="center" | 511
| fTC1 / 1022
|-
| align="center" | 10
| align="center" | 1023
| fTC1 / 2046
|}

Zusätzlich muss mit den Bits '''COM1A1''' und '''COM1A0''' desselben
Registers die gewünschte Ausgabeart des Signals definiert werden:

{| class="wikitable"
|-
! COM1A1 || COM1A0 || Bedeutung
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| Keine Wirkung, Pin wird nicht geschaltet.
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| Keine Wirkung, Pin wird nicht geschaltet.
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| Nicht invertierende PWM. 
Der Ausgangspin wird gelöscht beim Hochzählen und gesetzt beim
Herunterzählen.
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| Invertierende PWM. 
Der Ausgangspin wird gelöscht beim Herunterzählen und gesetzt beim
Hochzählen.
|}

Der entsprechende Befehl, um beispielsweise den Timer/Counter als
nicht invertierenden 10-Bit PWM zu verwenden, heißt dann:

alte Schreibweise (PWMxx wird nicht mehr akzeptiert)
<c>
TCCR1A = (1<<PWM11)|(1<<PWM10)|(1<<COM1A1);
</c>
neue Schreibweise
<c>
TCCR1A = (1<<WGM11)|(1<<WGM10)|(1<<COM1A1);
</c>

Damit der Timer/Counter überhaupt läuft, müssen wir im Control
Register B '''TCCR1B''' noch den gewünschten Takt (Vorteiler) einstellen und
somit auch die Frequenz des '''PWM'''-Signals bestimmen.

{| class="wikitable"
|-
! CS12 || CS11 || CS10 || Bedeutung
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| Stop. Der Timer/Counter wird gestoppt.
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| CK
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| CK / 8
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| CK / 64
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| CK / 256
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| CK / 1024
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| Externer Pin 1, negative Flanke
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| Externer Pin 1, positive Flanke
|}

Also um einen Takt von CK / 1024 zu generieren, verwenden wir
folgenden Befehl:

<c>
TCCR1B = (1<<CS12) | (1<<CS10);
</c>

Jetzt muss nur noch der Vergleichswert festgelegt werden. Diesen
schreiben wir in das 16-Bit Timer/Counter Output Compare Register '''OCR1A'''.

<c>
OCR1A = xxx;
</c>

Die folgende Grafik soll den Zusammenhang zwischen dem Vergleichswert und dem generierten '''PWM'''-Signal aufzeigen.

[[Image:PWM Theorie 3.gif]]

[[Image:PWM Theorie 4.gif]]

Ach ja, fast hätte ich's vergessen. Das generierte '''PWM'''-Signal
wird am Output Compare Pin '''OC1''' des Timers ausgegeben und leider können wir
deshalb auch beim AT90S2313 nur ein einzelnes '''PWM'''-Signal mit dieser Methode generieren. Andere AVR-Typen verfügen über bis zu vier PWM-Ausgänge. Zu beachten ist außerdem, das wenn der OC Pin aktiviert ist, er nichtmehr wie üblich funktioniert und z. B. nicht einfach über PINx ausgelesen werden kann.

Ein Programm, welches an einem ATmega8 den Fast-PWM Modus verwendet, den Modus 14, könnte so aussehen
<C>
#include <avr/io.h>

int main()
{
// OC1A auf Ausgang
DDRB = (1 << PB1 ); //ATMega8
// DDRD = (1 << PD5 ); //ATMega16
//
// Timer 1 einstellen
//
// Modus 14:
// Fast PWM, Top von ICR1
//
// WGM13 WGM12 WGM11 WGM10
// 1 1 1 0
//
// Timer Vorteiler: 1
// CS12 CS11 CS10
// 0 0 1
//
// Steuerung des Ausgangsport: Set at BOTTOM, Clear at match
// COM1A1 COM1A0
// 1 0

TCCR1A = (1<<COM1A1) | (1<<WGM11);
TCCR1B = (1<<WGM13) | (1<<WGM12) | (1<<CS10);

// den Endwert (TOP) für den Zähler setzen
// der Zähler zählt bis zu diesem Wert

ICR1 = 0x6FFF;

// der Compare Wert
// Wenn der Zähler diesen Wert erreicht, wird mit
// obiger Konfiguration der OC1A Ausgang abgeschaltet
// Sobald der Zähler wieder bei 0 startet, wird der
// Ausgang wieder auf 1 gesetzt
//
// Durch Verändern dieses Wertes, werden die unterschiedlichen
// PWM Werte eingestellt.

OCR1A = 0x3FFF;

while (1) {}
}
</C>

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''PWM-Mode Tabelle aus dem Datenblatt des ATmega8515'''
|-
!Mode || WGM13 || WGM12 || WGM11 || WGM10 || Timer/Counter Mode of Operation
! TOP|| Update of OCR1x at || TOV1 Flag set on
|-
! 0
| 0
| 0
| 0
| 0
| Normal
| 0xFFFF
| Immediate
| MAX
|-
! 1
| 0
| 0
| 0
| 1
| PWM, Phase Correct, 8-Bit
| 0x00FF
| TOP
| BOTTOM
|-
! 2
| 0
| 0
| 1
| 0
| PWM, Phase Correct, 9-Bit
| 0x01FF
| TOP
| BOTTOM
|-
! 3
| 0
| 0
| 1
| 1
| PWM, Phase Correct, 10-Bit
| 0x03FF
| TOP
| BOTTOM
|-
! 4
| 0
| 1
| 0
| 0
| CTC
| OCR1A
| Immediate
| MAX
|-
! 5
| 0
| 1
| 0
| 1
| Fast PWM, 8-Bit
| 0x00FF
| BOTTOM
| TOP
|-
! 6
| 0
| 1
| 1
| 0
| Fast PWM, 9-Bit
| 0x01FF
| BOTTOM
| TOP
|-
! 7
| 0
| 1
| 1
| 1
| Fast PWM, 10-Bit
| 0x03FF
| BOTTOM
| TOP
|-
! 8
| 1
| 0
| 0
| 0
| PWM, Phase an Frequency Correct
| ICR1
| BOTTOM
| BOTTOM
|-
! 9
| 1
| 0
| 0
| 1
| PWM, Phase an Frequency Correct
| OCR1A
| BOTTOM
| BOTTOM
|-
! 10
| 1
| 0
| 1
| 0
| PWM, Phase Correct
| ICR1
| TOP
| BOTTOM
|-
! 11
| 1
| 0
| 1
| 1
| PWM, Phase an Frequency Correct
| OCR1A
| TOP
| BOTTOM
|-
! 12
| 1
| 1
| 0
| 0
| CTC
| ICR1
| Immediate
| MAX
|-
! 13
| 1
| 1
| 0
| 1
| Reserved
| -
| -
| -
|-
! 14
| 1
| 1
| 1
| 0
| Fast PWM
| ICR1
| BOTTOM
| TOP
|-
! 15
| 1
| 1
| 1
| 1
| Fast PWM
| OCR1A
| BOTTOM
| TOP
|}

Für Details der PWM-Möglichkeiten muss immer das jeweilge Datenblatt des Prozessors konsultiert werden, da sich die unterschiedlichen Prozessoren in ihren Möglichkeiten doch stark unterscheiden. Auch muss man aufpassen, welches zu setzende Bit in welchem Register ist. Auch hier kann es sein, dass gleichnamige Konfigurationsbits in unterschiedlichen Konfigurationsregistern (je nach konkretem Prozessortyp) sitzen.

= Warteschleifen (delay.h) =

Der Programmablauf kann verschiedene Arten von Wartefunktionen erfordern:

* Warten im Sinn von Zeitvertrödeln
* Warten auf einen bestimmten Zustand an den I/O-Pins
* Warten auf einen bestimmten Zeitpunkt (siehe Timer)
* Warten auf einen bestimmten Zählerstand (siehe Counter)

Der einfachste Fall, das Zeitvertrödeln, kann in vielen Fällen und mit großer Genauigkeit anhand der avr-libc Bibliotheksfunktionen _delay_ms() und _delay_us() erledigt werden. Die Bibliotheksfunktionen sind einfachen Zählschleifen (Warteschleifen) vorzuziehen, da leere Zählschleifen ohne besondere Vorkehrungen sonst bei eingeschalteter Optimierung vom avr-gcc-Compiler wegoptimiert werden. Weiterhin sind die Bibliotheksfunktionen bereits darauf vorbereitet, die in F_CPU definierte Taktfrequenz zu verwenden. Außerdem sind die Funktionen der Bibliothek wirklich getestet.

Einfach!? Schon, aber während gewartet wird, macht der µC nichts anderes mehr. Die Wartefunktion blockiert den Programmablauf. Möchte man einerseits warten, um z. B. eine LED blinken zu lassen und gleichzeitig andere Aktionen ausführen z. B. weitere LED bedienen, sollten die Timer/Counter des AVR verwendet werden.

Die Bibliotheksfunktionen funktionieren allerdings nur dann korrekt, wenn sie mit zur Übersetzungszeit (beim Compilieren) bekannten konstanten Werten aufgerufen werden. Der Quellcode muss mit eingeschalteter Optimierung übersetzt werden, sonst wird sehr viel Maschinencode erzeugt, und die Wartezeiten stimmen nicht mehr mit dem Parameter überein.

Abhängig von der Version der Bibliothek verhalten sich die Bibliotheksfunktionen etwas unterschiedlich.

== avr-libc Versionen kleiner 1.6 ==

Die Wartezeit der Funktion _delay_ms() ist auf 262,14ms/F_CPU (in MHz) begrenzt, d.h. bei 20 MHz kann man nur max. 13,1ms warten. Die Wartezeit der Funktion _delay_us() ist auf 768us/F_CPU (in MHz) begrenzt, d.h. bei 20 MHz kann man nur max. 38,4us warten. Längere Wartezeiten müssen dann über einen mehrfachen Aufruf in einer Schleife gelöst werden.

Beispiel: Blinken einer LED an PORTB Pin PB0 im ca. 1s Rhythmus
<c>
#include <avr/io.h>
#ifndef F_CPU
/* Definiere F_CPU, wenn F_CPU nicht bereits vorher definiert
(z. B. durch Übergabe als Parameter zum Compiler innerhalb
des Makefiles). Zusätzlich Ausgabe einer Warnung, die auf die
"nachträgliche" Definition hinweist */
#warning "F_CPU war noch nicht definiert, wird nun mit 3686400 definiert"
#define F_CPU 3686400UL /* Quarz mit 3.6864 Mhz */
#endif
#include <util/delay.h> /* in älteren avr-libc Versionen <avr/delay.h> */

/*
lange, variable Verzögerungszeit, Einheit in Millisekunden

Die maximale Zeit pro Funktionsaufruf ist begrenzt auf
262.14 ms / F_CPU in MHz (im Beispiel:
262.1 / 3.6864 = max. 71 ms)

Daher wird die kleine Warteschleife mehrfach aufgerufen,
um auf eine längere Wartezeit zu kommen. Die zusätzliche
Prüfung der Schleifenbedingung lässt die Wartezeit geringfügig
ungenau werden (macht hier vielleicht 2-3ms aus).
*/

void long_delay(uint16_t ms)
{
for(; ms>0; ms--) _delay_ms(1);
}

int main( void )
{
DDRB = ( 1 << PB0 ); // PB0 an PORTB als Ausgang setzen

while( 1 ) // Endlosschleife
{
PORTB ^= ( 1 << PB0 ); // Toggle PB0 z. B. angeschlossene LED
long_delay(1000); // Eine Sekunde warten...
}

return 0;
}
</c>

== avr-libc Versionen ab 1.6 ==

_delay_ms() kann mit einem Argument bis 6553,5 ms (= 6,5535 Sekunden) benutzt werden. Wird die früher gültige Grenze von 262,14 ms/F_CPU (in MHz) überschritten, so arbeitet _delay_ms() einfach etwas ungenauer und zählt nur noch mit einer Auflösung von 1/10 ms. Eine Verzögerung von 1000,10 ms ließe sich nicht mehr von einer von 1000,19 ms unterscheiden. Ein Verlust, der sich im Allgemeinen verschmerzen lässt. Dem Programmierer wird keine Rückmeldung gegeben, dass die Funktion ggf. gröber arbeitet, d.h. wenn es darauf ankommt, bitte den Parameter wie bisher geschickt wählen.

Die Funktion _delay_us() wurde ebenfalls erweitert. Wenn deren maximal als genau behandelbares Argument überschritten wird, benutzt diese intern _delay_ms(). Damit gelten in diesem Fall die _delay_ms() Einschränkungen.

Beispiel: Blinken einer LED an PORTB Pin PB0 im ca. 1s Rhythmus, avr-libc ab Version 1.6
<c>
#include <avr/io.h>
#ifndef F_CPU
/* Definiere F_CPU, wenn F_CPU nicht bereits vorher definiert
(z. B. durch Übergabe als Parameter zum Compiler innerhalb
des Makefiles). Zusätzlich Ausgabe einer Warnung, die auf die
"nachträgliche" Definition hinweist */
#warning "F_CPU war noch nicht definiert, wird nun mit 3686400 definiert"
#define F_CPU 3686400UL /* Quarz mit 3.6864 Mhz */
#endif
#include <util/delay.h>

int main( void )
{
DDRB = ( 1 << PB0 ); // PB0 an PORTB als Ausgang setzen

while( 1 ) { // Endlosschleife
PORTB ^= ( 1 << PB0 ); // Toggle PB0 z. B. angeschlossene LED
_delay_ms(1000); // Eine Sekunde +/-1/10000 Sekunde warten...
// funktioniert nicht mit Bibliotheken vor 1.6

}
return 0;
}
</c>

Die _delay_ms() und die _delay_us aus '''avr-libc 1.7.0''' sind fehlerhaft. _delay_ms () läuft 4x schneller als erwartet. Abhilfe ist eine korrigierte Includedatei: [http://www.mikrocontroller.net/topic/196738#1943039]

= Programmieren mit Interrupts =

<div style="float:right; margin:2em;">
[[Image:Interrupt Programme.gif]]
</div>
Nachdem wir nun alles Wissenswerte für die serielle Programmerstellung
gelernt haben nehmen wir jetzt ein völlig anderes Thema in Angriff, nämlich
die Programmierung unter Zuhilfenahme der Interrupts des AVR.

Als erstes wollen wir uns noch einmal den allgemeinen Programmablauf bei der
Interrupt-Programmierung zu Gemüte führen.

Man sieht, dass die Interruptroutine quasi parallel zum Hauptprogramm
abläuft. Da wir nur eine CPU haben ist es natürlich keine echte Parallelität,
sondern das Hauptprogramm wird beim Eintreffen eines Interrupts unterbrochen,
die Interruptroutine wird ausgeführt und danach erst wieder zum Hauptprogramm
zurückgekehrt.

Siehe auch

* [http://www.mikrocontroller.net/forum/read-1-235092.html#new Ausführlicher Thread im Forum]
* Artikel [[Interrupt]]
* Artikel [[Multitasking]]
{{Clear}}

== Anforderungen an Interrupt-Routinen ==

Um unliebsamen Überraschungen vorzubeugen, sollten einige Grundregeln bei der Implementierung der Interruptroutinen beachtet werden. Interruptroutinen sollten möglichst kurz und schnell abarbeitbar sein, daraus folgt:

* Keine umfangreichen Berechnungen innerhalb der Interruptroutine. (*)
* Keine langen Programmschleifen.
* Obwohl es möglich ist, während der Abarbeitung einer Interruptroutine andere oder sogar den gleichen Interrupt wieder zuzulassen, wird davon ohne genaue Kenntnis der internen Abläufe dringend abgeraten.

Interruptroutinen (ISRs) sollten also möglichst kurz sein und keine Schleifen mit vielen Durchläufen enthalten. Längere Operationen können meist in einen "Interrupt-Teil" in einer ISR und einen "Arbeitsteil" im Hauptprogramm aufgetrennt werden. Z.B. Speichern des Zustands aller Eingänge im EEPROM in bestimmten Zeitabständen: ISR-Teil: Zeitvergleich (Timer,RTC) mit Logzeit/-intervall. Bei Übereinstimmung ein globales Flag setzen (volatile bei Flag-Deklaration nicht vergessen, s.u.). Dann im Hauptprogramm prüfen, ob das Flag gesetzt ist. Wenn ja: die Daten im EEPROM ablegen und Flag löschen.

(*)
Hinweis:
Es gibt allerdings die seltene Situation, dass man gerade eingelesene
ADC-Werte sofort verarbeiten muss. Besonders dann, wenn man mehrere Werte sehr
schnell hintereinander bekommt. Dann bleibt einem nichts anderes übrig, als die
Werte noch in der ISR zu verarbeiten. Kommt aber sehr selten vor und sollte
durch geeignete Wahl des Systemtaktes bzw. Auswahl des Controllers vermieden werden!

== Interrupt-Quellen ==

Die folgenden Ereignisse können einen Interrupt auf einem AVR AT90S2313 auslösen, wobei die Reihenfolge der Auflistung auch die Priorität der Interrupts aufzeigt.

* Reset
* Externer Interrupt 0
* Externer Interrupt 1
* Timer/Counter 1 Capture Ereignis
* Timer/Counter 1 Compare Match
* Timer/Counter 1 Überlauf
* Timer/Counter 0 Überlauf
* UART Zeichen empfangen
* UART Datenregister leer
* UART Zeichen gesendet
* Analoger Komparator

Die Anzahl der möglichen Interruptquellen variiert zwischen den verschiedenen Microcontroller-Typen. Im Zweifel hilft ein Blick ins Datenblatt ("Interrupt Vectors").

== Register ==

Der AT90S2313 verfügt über 2 Register die mit den
Interrupts zusammen hängen.

{| class="wikitable"
|-
| '''GIMSK'''
| '''G'''eneral '''I'''nterrupt '''M'''ask '''R'''egister. 

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7 || 6|| 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| '''INT1''' || '''INT0''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-'''
|-
! R/W
| R/W || R/W || R || R || R || R || R || R
|-
! Initialwert
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0
|}

'''INT1''' (External '''Int'''errupt Request '''1''' Enable)
:Wenn dieses Bit gesetzt ist, wird ein Interrupt ausgelöst, wenn am '''INT1'''-Pin eine steigende oder fallende (je nach Konfiguration im '''MCUCR''') Flanke erkannt wird.
:Das Global Enable Interrupt Flag muss selbstverständlich auch gesetzt sein.
:Der Interrupt wird auch ausgelöst, wenn der Pin als Ausgang geschaltet ist. Auf diese Weise bietet sich die Möglichkeit, Software-Interrupts zu realisieren.

'''INT0''' (External '''Int'''errupt Request '''0''' Enable)
:Wenn dieses Bit gesetzt ist, wird ein Interrupt ausgelöst, wenn am '''INT0'''-Pin eine steigende oder fallende (je nach Konfiguration im '''MCUCR''') Flanke erkannt wird.
:Das Global Enable Interrupt Flag muss selbstverständlich auch gesetzt sein.
:Der Interrupt wird auch ausgelöst, wenn der Pin als Ausgang geschaltet ist. Auf diese Weise bietet sich die Möglichkeit, Software-Interrupts zu realisieren.

|-
| '''GIFR'''
| '''G'''eneral '''I'''nterrupt '''F'''lag '''R'''egister.

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7 || 6 || 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| '''INTF1''' || '''INTF0''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-'''
|-
! R/W
| R/W || R/W || R || R || R || R || R || R
|-
! Initialwert
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0
|}

'''INTF1''' (External '''Int'''errupt Flag '''1''')
:Dieses Bit wird gesetzt, wenn am '''INT1'''-Pin eine Interrupt-Kondition, entsprechend der Konfiguration, erkannt wird. Wenn das Global Enable Interrupt Flag gesetzt ist, wird die Interruptroutine angesprungen.
:Das Flag wird automatisch gelöscht, wenn die Interruptroutine beendet ist. Alternativ kann das Flag gelöscht werden, indem der Wert '''1(!)''' eingeschrieben wird.

'''INTF0''' (External '''Int'''errupt Flag '''0''')
:Dieses Bit wird gesetzt, wenn am '''INT0'''-Pin eine Interrupt-Kondition, entsprechend der Konfiguration, erkannt wird. Wenn das Global Enable Interrupt Flag gesetzt ist, wird die Interruptroutine angesprungen.
:Das Flag wird automatisch gelöscht, wenn die Interruptroutine beendet ist. Alternativ kann das Flag gelöscht werden, indem der Wert '''1(!)''' eingeschrieben wird.
|-
| '''MCUCR'''
| '''MCU''' '''C'''ontrol '''R'''egister.

Das MCU Control Register enthält Kontrollbits für allgemeine
MCU-Funktionen.

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7 || 6 || 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| '''-'''|| '''-'''|| '''SE'''|| '''SM'''|| '''ISC11'''|| '''ISC10'''|| '''ISC01'''|| '''ISC00'''
|-
! R/W
| R || R || R/W || R/W || R/W || R/W || R/W || R/W
|-
! Initialwert
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0

|}

'''SE''' ('''S'''leep '''E'''nable)
:Dieses Bit muss gesetzt sein, um den Controller mit dem '''SLEEP'''-Befehl in den Schlafzustand versetzen zu können.
:Um den Schlafmodus nicht irrtümlich einzuschalten, wird empfohlen, das Bit erst unmittelbar vor Ausführung des '''SLEEP'''-Befehls zu setzen.

'''SM''' ('''S'''leep '''M'''ode)
:Dieses Bit bestimmt der Schlafmodus.
:Ist das Bit gelöscht, so wird der '''Idle'''-Modus ausgeführt. Ist das Bit gesetzt, so wird der '''Power-Down'''-Modus ausgeführt. (für andere AVR Controller siehe Abschnitt "Sleep-Mode")

'''ISC11''', '''ISC10''' ('''I'''nterrupt '''S'''ense '''C'''ontrol '''1''' Bits)
:Diese beiden Bits bestimmen, ob die steigende oder die fallende Flanke für die Interrupterkennung am '''INT1'''-Pin ausgewertet wird.

:{| class="wikitable"
|-
! ISC11 || ISC10 || Bedeutung
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| Low Level an '''INT1''' erzeugt einen Interrupt.

Der Interrupt wird getriggert, solange der Pin auf 0 bleibt.
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| Reserviert
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| Die fallende Flanke an '''INT1''' erzeugt einen Interrupt.
|-
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| Die steigende Flanke an '''INT1''' erzeugt einen Interrupt.
|}

'''ISC01''', '''ISC00''' ('''I'''nterrupt '''S'''ense '''C'''ontrol '''0''' Bits)
:Diese beiden Bits bestimmen, ob die steigende oder die fallende Flanke für die Interrupterkennung am '''INT0'''-Pin ausgewertet wird.

:{| class="wikitable"
|-
! ISC01 || ISC00 || Bedeutung
|-
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| align="center" | 0
| Low Level an '''INT0''' erzeugt einen Interrupt.

Der Interrupt wird getriggert, solange der Pin auf 0 bleibt.
|-
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| Reserviert
|-
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| Die fallende Flanke an '''INT0''' erzeugt einen Interrupt.
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| Die steigende Flanke an '''INT0''' erzeugt einen Interrupt.
|}

|}

== Allgemeines über die Interrupt-Abarbeitung ==

Wenn ein Interrupt eintrifft, wird automatisch das '''Global Interrupt Enable''' Bit im Status Register '''SREG''' gelöscht und alle weiteren Interrupts unterbunden. Obwohl es möglich ist, zu diesem Zeitpunkt bereits wieder das GIE-bit zu setzen, wird dringend davon abgeraten. Dieses wird nämlich automatisch gesetzt, wenn die Interruptroutine beendet wird. Wenn in der Zwischenzeit weitere Interrupts eintreffen, werden die zugehörigen Interrupt-Bits gesetzt und die Interrupts bei Beendigung der laufenden Interrupt-Routine in der Reihenfolge ihrer Priorität ausgeführt. Dies kann
eigentlich nur dann zu Problemen führen, wenn ein hoch priorisierter Interrupt ständig und in kurzer Folge auftritt. Dieser sperrt dann möglicherweise alle anderen Interrupts mit niedrigerer Priorität. Dies ist einer der Gründe, weshalb die Interrupt-Routinen sehr kurz gehalten werden sollen.



== Interrupts mit dem AVR GCC Compiler (WinAVR) ==


Funktionen zur Interrupt-Verarbeitung werden in den Includedateien ''interrupt.h'' der avr-libc zur Verfügung gestellt (bei älterem Quellcode zusätzlich ''signal.h'').

<c>
// fuer sei(), cli() und ISR():
#include <avr/interrupt.h>
</c>

Das Makro '''sei()''' schaltet die Interrupts ein. Eigentlich wird nichts anderes gemacht, als das '''Global Interrupt Enable''' Bit im Status Register gesetzt.

<c>
sei();
</c>

Das Makro '''cli()''' schaltet die Interrupts aus, oder anders gesagt, das '''Global Interrupt Enable''' Bit im Status Register wird gelöscht.

<c>
cli();
</c>

Oft steht man vor der Aufgabe, dass eine Codesequenz nicht unterbrochen werden darf. Es liegt dann nahe, zu Beginn dieser Sequenz ein cli() und am Ende ein sei() einzufügen. Dies ist jedoch ungünstig, wenn die Interrupts vor Aufruf der Sequenz deaktiviert waren und danach auch weiterhin deaktiviert bleiben sollen. Ein sei() würde ungeachtet des vorherigen Zustands die Interrupts aktivieren, was zu unerwünschten Seiteneffekten führen kann. Die aus dem folgenden Beispiel ersichtliche Vorgehensweise ist in solchen Fällen vorzuziehen:

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <inttypes.h>

//...

void NichtUnterbrechenBitte(void)
{
uint8_t tmp_sreg; // temporaerer Speicher fuer das Statusregister

tmp_sreg = SREG; // Statusregister (also auch das I-Flag darin) sichern
cli(); // Interrupts global deaktivieren

/* hier "unterbrechnungsfreier" Code */

/* Beispiel Anfang
JTAG-Interface eines ATmega16 per Software deaktivieren
und damit die JTAG-Pins an PORTC für "general I/O" nutzbar machen
ohne die JTAG-Fuse-Bit zu aendern. Dazu ist eine "timed sequence"
einzuhalten (vgl Datenblatt ATmega16, Stand 10/04, S. 229):
Das JTD-Bit muss zweimal innerhalb von 4 Taktzyklen geschrieben
werden. Ein Interrupt zwischen den beiden Schreibzugriffen wuerde
die erforderliche Sequenz "brechen", das JTAG-Interface bliebe
weiterhin aktiv und die IO-Pins weiterhin für JTAG reserviert. */

MCUCSR |= (1<<JTD);
MCUCSR |= (1<<JTD); // 2 mal in Folge ,vgl. Datenblatt fuer mehr Information

/* Beispiel Ende */

SREG = tmp_sreg; // Status-Register wieder herstellen
// somit auch das I-Flag auf gesicherten Zustand setzen
}

void NichtSoGut(void)
{
cli();

/* hier "unterbrechnungsfreier" Code */

sei();
}

int main(void)
{
//...

cli();
// Interrupts global deaktiviert

NichtUnterbrechenBitte();
// auch nach Aufruf der Funktion deaktiviert

sei();
// Interrupts global aktiviert

NichtUnterbrechenBitte();
// weiterhin aktiviert
//...

/* Verdeutlichung der unguenstigen Vorgehensweise mit cli/sei: */
cli();
// Interrupts jetzt global deaktiviert

NichtSoGut();
// nach Aufruf der Funktion sind Interrupts global aktiviert
// dies ist mglw. ungewollt!
//...

}
</c>


Zu den aktivierten Interrupts ist eine Funktion zu programmieren, deren Code aufgerufen wird, wenn der betreffende Interrupt auftritt (Interrupt-Handler, Interrupt-Service-Routine). Dazu existiert die Definition (ein Makro) '''ISR'''.

=== ISR ===

(''ISR()'' ersetzt bei neueren Versionen der avr-libc ''SIGNAL()''. SIGNAL sollte nicht mehr genutzt werden, zur Portierung von SIGNAL nach ISR siehe den [[AVR-GCC-Tutorial#Anhang|Anhang]].)

<c>
#include <avr/interrupt.h>
//...
ISR(Vectorname) /* vormals: SIGNAL(siglabel) dabei Vectorname != siglabel ! */
{
/* Interrupt Code */
}
</c>

Mit ''ISR'' wird eine Funktion für die Bearbeitung eines Interrupts eingeleitet. Als Argument muss dabei die Benennung des entsprechenden Interruptvektors angegeben werden. Diese sind in den jeweiligen Includedateien IOxxxx.h zu finden. Die Bezeichnung entspricht dem Namen aus dem Datenblatt, bei dem die Leerzeichen durch Unterstriche ersetzt sind und ein ''_vect'' angehängt ist.

Als Beispiel ein Ausschnitt aus der Datei für den ATmega8 (bei WinAVR Standardinstallation in C:\WinAVR\avr\include\avr\iom8.h) in der neben den aktuellen Namen für ''ISR'' (*_vect) noch die Bezeichnungen für das inzwischen nicht mehr aktuelle ''SIGNAL'' (SIG_*) enthalten sind.

<c>
//...
/* $Id: iom8.h,v 1.13 2005/10/30 22:11:23 joerg_wunsch Exp $ */

/* avr/iom8.h - definitions for ATmega8 */
//...

/* Interrupt vectors */

/* External Interrupt Request 0 */
#define INT0_vect _VECTOR(1)
#define SIG_INTERRUPT0 _VECTOR(1)

/* External Interrupt Request 1 */
#define INT1_vect _VECTOR(2)
#define SIG_INTERRUPT1 _VECTOR(2)

/* Timer/Counter2 Compare Match */
#define TIMER2_COMP_vect _VECTOR(3)
#define SIG_OUTPUT_COMPARE2 _VECTOR(3)

/* Timer/Counter2 Overflow */
#define TIMER2_OVF_vect _VECTOR(4)
#define SIG_OVERFLOW2 _VECTOR(4)

/* Timer/Counter1 Capture Event */
#define TIMER1_CAPT_vect _VECTOR(5)
#define SIG_INPUT_CAPTURE1 _VECTOR(5)

/* Timer/Counter1 Compare Match A */
#define TIMER1_COMPA_vect _VECTOR(6)
#define SIG_OUTPUT_COMPARE1A _VECTOR(6)

/* Timer/Counter1 Compare Match B */
#define TIMER1_COMPB_vect _VECTOR(7)
#define SIG_OUTPUT_COMPARE1B _VECTOR(7)

//...
</c>


Mögliche Funktionsrümpfe für Interruptfunktionen sind zum Beispiel:

<c>
#include <avr/interrupt.h>
/* veraltet: #include <avr/signal.h> */

ISR(INT0_vect) /* veraltet: SIGNAL(SIG_INTERRUPT0) */
{
/* Interrupt Code */
}

ISR(TIMER0_OVF_vect) /* veraltet: SIGNAL(SIG_OVERFLOW0) */
{
/* Interrupt Code */
}

ISR(USART_RXC_vect) /* veraltet: SIGNAL(SIG_UART_RECV) */
{
/* Interrupt Code */
}

// und so weiter und so fort...
</c>

Auf die korrekte Schreibweise der Vektorbezeichnung ist zu achten. Der gcc-Compiler prüft erst ab Version 4.x, ob ein Signal/Interrupt der angegebenen Bezeichnung tatsächlich in der Includedatei definiert ist und gibt andernfalls eine Warnung aus. Bei WinAVR (ab 2/2005) wurde die Überprüfung auch in den mitgelieferten Compiler der Version 3.x integriert. Aus dem gcc-Quellcode Version 3.x selbst erstellte Compiler enthalten die Prüfung nicht (vgl. [[AVR-GCC]]).

Während der Ausführung der Funktion sind alle weiteren Interrupts automatisch gesperrt. Beim Verlassen der Funktion werden die Interrupts wieder zugelassen.

Sollte während der Abarbeitung der Interruptroutine ein weiterer Interrupt (gleiche oder andere Interruptquelle) auftreten, so wird das entsprechende Bit im zugeordneten Interrupt Flag Register gesetzt und die entsprechende Interruptroutine automatisch nach dem Beenden der aktuellen Funktion aufgerufen.

Ein Problem ergibt sich eigentlich nur dann, wenn während der Abarbeitung der aktuellen Interruptroutine mehrere gleichartige Interrupts auftreten. Die entsprechende Interruptroutine wird im Nachhinein zwar aufgerufen jedoch wissen wir nicht, ob nun der entsprechende Interrupt einmal, zweimal oder gar noch öfter aufgetreten ist. Deshalb soll hier noch einmal betont werden, dass Interruptroutinen so schnell wie nur irgend möglich wieder verlassen werden sollten.

=== Unterbrechbare Interruptroutinen ===

"Faustregel": im Zweifel '''ISR'''. Die nachfolgend beschriebene Methode nur dann verwenden, wenn man sich über die unterschiedliche Funktionsweise im Klaren ist.

<c>
#include <avr/interrupt.h>

ISR(XXX,ISR_NOBLOCK) /* veraltet: INTERRUPT(SIG_OVERFLOW0) */
{
/* Interrupt-Code */
}
</c>

Hierbei steht XXX für den oben beschriebenen Namen des Vektors (also z. B. ''TIMER0_OVF_vect''). Der Unterschied im Vergleich zu einer herkömmlichen ISR ist, dass hier beim Aufrufen der Funktion das '''Global Enable Interrupt''' Bit durch Einfügen einer SEI-Anweisung direkt wieder gesetzt und somit alle Interrupts zugelassen werden – auch XXX-Interrupts.

Bei unsachgemässer Handhabung kann dies zu erheblichen Problemen wie einem Stack-Overflow oder anderen unerwarteten Effekten führen und sollte wirklich nur dann eingesetzt werden, wenn man sich sicher ist, das Ganze auch im Griff zu haben.

Insbesondere sollte möglichst am ISR-Anfang die auslösende IRQ-Quelle deaktiviert und erst am Ende der ISR wieder aktiviert werden. Robuster als die Verwendung einer NOBLOCK-ISR ist daher folgender ISR-Aufbau:

<c>
#include <avr/interrupt.h>

ISR (XXX)
{
// Implementiere die ISR ohne zunaechst weitere IRQs zuzulassen

<<Dektiviere die XXX-IRQ>>

// Erlaube alle Interrupts (ausser XXX)
sei();

//... Code ...

// IRQs global deaktivieren um die XXX-IRQ wieder gefahrlos
// aktivieren zu koennen
cli();

<<Aktiviere die XXX-IRQ>>
}
</c>
Auf diese Weise kann sich die XXX-IRQ nicht selbst unterbrechen, was zu einer Art Endlosschleife führen würde.

Siehe auch: Hinweise in [[AVR-GCC]]

siehe dazu: http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__avr__interrupts.html

== Datenaustausch mit Interrupt-Routinen ==

Variablen, die sowohl in Interrupt-Routinen (ISR = Interrupt Service Routine(s)) als auch vom übrigen Programmcode geschrieben oder gelesen werden, müssen mit einem '''volatile''' deklariert werden. Damit wird dem Compiler mitgeteilt, dass der Inhalt der Variablen vor jedem Lesezugriff aus dem Speicher gelesen und nach jedem Schreibzugriff in den Speicher geschrieben wird. Ansonsten könnte der Compiler den Code so optimieren, dass der Wert der Variablen nur in Prozessorregistern zwischengespeichert wird, die nichts von der Änderung woanders mitbekommen.

Zur Veranschaulichung ein Codefragment für eine Tastenentprellung mit Erkennung einer "lange gedrückten" Taste.

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <stdint.h>
//...

// Schwellwerte
// Entprellung:
#define CNTDEBOUNCE 10
// "lange gedrueckt:"
#define CNTREPEAT 200

// hier z. B. Taste an Pin2 PortA "active low" = 0 wenn gedrueckt
#define KEY_PIN PINA
#define KEY_PINNO PA2

// beachte: volatile!
volatile uint8_t gKeyCounter;

// Timer-Compare Interrupt ISR, wird z.B. alle 10ms ausgefuehrt
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
// hier wird gKeyCounter veraendert. Die übrigen
// Programmteile müssen diese Aenderung "sehen":
// volatile -> aktuellen Wert immer in den Speicher schreiben
if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
if (gKeyCounter < CNTREPEAT) gKeyCounter++;
}
else {
gKeyCounter = 0;
}
}

//...

int main(void)
{
//...
/* hier: Initialisierung der Ports und des Timer-Interrupts */
//...
// hier wird auf gKeyCounter zugegriffen. Dazu muss der in der
// ISR geschriebene Wert bekannt sein:
// volatile -> aktuellen Wert immer aus dem Speicher lesen
if ( gKeyCounter > CNTDEBOUNCE ) { // Taste mind. 10*10 ms "prellfrei"
if (gKeyCounter == CNTREPEAT) {
/* hier: Code fuer "Taste lange gedrueckt" */
}
else {
/* hier: Code fuer "Taste kurz gedrueckt" */
}
}
//...
}
</c>

Wird innerhalb einer ISR mehrfach auf eine mit volatile deklarierte Variable zugegriffen, wirkt sich dies ungünstig auf die Verarbeitungsgeschwindigkeit aus, da bei jedem Zugriff mit dem Speicherinhalt abgeglichen wird. Da bei AVR-Controllern ''innerhalb'' einer ISR keine Unterbrechungen zu erwarten sind, bietet es sich an, einen Zwischenspeicher in Form einer lokalen Variable zu verwenden, deren Inhalt zu Beginn und am Ende mit dem der volatile Variable synchronisiert wird. Lokale Variable werden bei eingeschalteter Optimierung mit hoher Wahrscheinlichkeit in Prozessorregistern verwaltet und der Zugriff darauf ist daher nur mit wenigen internen Operationen verbunden. Die ISR aus dem vorherigen Beispiel lässt sich so optimieren:

<c>
//...
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
uint8_t tmp_kc;

tmp_kc = gKeyCounter; // Uebernahme in lokale Arbeitsvariable

if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
if (tmp_kc < CNTREPEAT) {
tmp_kc++;
}
}
else {
tmp_kc = 0;
}

gKeyCounter = tmp_kc; // Zurueckschreiben
}
//...
</c>

Zum Vergleich die Disassemblies (Ausschnitte der "lss-Dateien", compiliert für ATmega162) im Anschluss. Man erkennt den viermaligen Zugriff auf die Speicheraddresse von ''gKeyCounter'' (hier 0x032A) in der ISR ohne "Cache"-Variable und den zweimaligen Zugriff in der Variante mit Zwischenspeicher. Im Beispiel ist der Vorteil gering, bei komplexeren Routinen kann die Zwischenspeicherung in lokalen Variablen jedoch zu deutlicheren Verbesserungen führen.

<pre>
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
86a: 1f 92 push r1
86c: 0f 92 push r0
86e: 0f b6 in r0, 0x3f ; 63
870: 0f 92 push r0
872: 11 24 eor r1, r1
874: 8f 93 push r24
if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
876: ca 99 sbic 0x19, 2 ; 25
878: 0a c0 rjmp .+20 ; 0x88e <__vector_13+0x24>
if (gKeyCounter < CNTREPEAT) gKeyCounter++;
87a: 80 91 2a 03 lds r24, 0x032A
87e: 88 3c cpi r24, 0xC8 ; 200
880: 40 f4 brcc .+16 ; 0x892 <__vector_13+0x28>
882: 80 91 2a 03 lds r24, 0x032A
886: 8f 5f subi r24, 0xFF ; 255
888: 80 93 2a 03 sts 0x032A, r24
88c: 02 c0 rjmp .+4 ; 0x892 <__vector_13+0x28>
}
else {
gKeyCounter = 0;
88e: 10 92 2a 03 sts 0x032A, r1
892: 8f 91 pop r24
894: 0f 90 pop r0
896: 0f be out 0x3f, r0 ; 63
898: 0f 90 pop r0
89a: 1f 90 pop r1
89c: 18 95 reti
</pre>

<pre>
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
86a: 1f 92 push r1
86c: 0f 92 push r0
86e: 0f b6 in r0, 0x3f ; 63
870: 0f 92 push r0
872: 11 24 eor r1, r1
874: 8f 93 push r24
uint8_t tmp_kc;

tmp_kc = gKeyCounter;
876: 80 91 2a 03 lds r24, 0x032A

if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
87a: ca 9b sbis 0x19, 2 ; 25
87c: 02 c0 rjmp .+4 ; 0x882 <__vector_13+0x18>
87e: 80 e0 ldi r24, 0x00 ; 0
880: 03 c0 rjmp .+6 ; 0x888 <__vector_13+0x1e>
if (tmp_kc < CNTREPEAT) {
882: 88 3c cpi r24, 0xC8 ; 200
884: 08 f4 brcc .+2 ; 0x888 <__vector_13+0x1e>
tmp_kc++;
886: 8f 5f subi r24, 0xFF ; 255
}
}
else {
tmp_kc = 0;
}

gKeyCounter = tmp_kc;
888: 80 93 2a 03 sts 0x032A, r24
88c: 8f 91 pop r24
88e: 0f 90 pop r0
890: 0f be out 0x3f, r0 ; 63
892: 0f 90 pop r0
894: 1f 90 pop r1
896: 18 95 reti
</pre>

=== volatile und Pointer ===

Bei '''volatile''' in Verbindung mit Pointern ist zu beachten, ob der Pointer selbst oder die Variable, auf die der Pointer zeigt, '''volatile''' ist.

<c>
volatile uint8_t *a; // das Ziel von a ist volatile

uint8_t *volatile a; // a selbst ist volatile
</c>

Falls der Pointer volatile ist (zweiter Fall im Beispiel), ist zu beachten, dass der Wert des Pointers, also eine Speicheradresse, intern in mehr als einem Byte verwaltet wird. Lese- und Schreibzugriffe im Hauptprogramm (außerhalb von Interrupt-Routinen) sind daher so zu implementieren, dass alle Teilbytes der Adresse konsistent bleiben, vgl. dazu den folgenden Abschnitt.

=== Variablen größer 1 Byte ===

Bei Variablen größer ein Byte, auf die in Interrupt-Routinen und im Hauptprogramm zugegriffen wird, muss darauf geachtet werden, dass die Zugriffe auf die einzelnen Bytes außerhalb der ISR nicht durch einen Interrupt unterbrochen werden. (Allgemeinplatz: AVRs sind 8-bit Controller). Zur Veranschaulichung ein Codefragment:

<c>
//...
volatile uint16_t gMyCounter16bit;
//...
ISR(...)
{
//...
gMyCounter16Bit++;
//...
}

int main(void)
{
uint16_t tmpCnt;
//...
// nicht gut: Mglw. hier ein Fehler, wenn ein Byte von MyCounter
// schon in tmpCnt kopiert ist aber vor dem Kopieren des zweiten Bytes
// ein Interrupt auftritt, der den Inhalt von MyCounter verändert.
tmpCnt = gMyCounter16bit;

// besser: Änderungen "außerhalb" verhindern -> alle "Teilbytes"
// bleiben konsistent
cli(); // Interrupts deaktivieren
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
sei(); // wieder aktivieren

// oder: vorheriger Status des globalen Interrupt-Flags bleibt erhalten
uint8_t sreg_tmp;
sreg_tmp = SREG; /* Sichern */
cli()
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
SREG = sreg_tmp; /* Wiederherstellen */

// oder: mehrfach lesen, bis man konsistente Daten hat
uint16_t count1 = gMyCounter16Bit;
uint16_t count2 = gMyCounter16Bit;
while (count1 != count2) {
count1 = count2;
count2 = gMyCounter16Bit;
}
tmpCnt = count1;
//...
}
</c>

Die avr-libc bietet ab Version 1.6.0(?) einige Hilfsfunktionen/Makros, mit der im Beispiel oben gezeigten Funktionalität, die zusätzlich auch sogenannte [http://en.wikipedia.org/wiki/Memory_barrier memory barriers] beinhalten. Diese stehen nach #include <util/atomic.h> zur Verfügung.
<c>
//...
#include <util/atomic.h>
//...

// analog zu cli, Zugriff, sei:
ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_FORCEON) {
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
}

// oder:

// analog zu Sicherung des SREG, cli, Zugriff und Zurückschreiben des SREG:
ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_RESTORESTATE) {
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
}

//...
</c>

* siehe auch [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__util__atomic.html Dokumentation der avr-libc zu atomic.h]

== Interrupt-Routinen und Registerzugriffe ==

Falls Register sowohl im Hauptprogramm als auch in Interrupt-Routinen verändert werden, ist darauf zu achten, dass diese Zugriffe sich nicht überlappen. Nur wenige Anweisungen lassen sich in sogenannte "atomare" Zugriffe übersetzen, die nicht von Interrupt-Routinen unterbrochen werden können.

Zur Veranschaulichung eine Anweisung, bei der ein Bit und im Anschluss drei Bits in einem Register gesetzt werden:

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

int main(void)
{
//...
PORTA |= (1<<PA0);

PORTA |= (1<<PA2)|(1<<PA3)|(1<<PA4);
//...
}
</c>

Der Compiler übersetzt diese Anweisungen für einen ATmega128 bei Optimierungsstufe "S" nach:

<div class="code"><pre>
...
PORTA |= (1<<PA0);
d2: d8 9a sbi 0x1b, 0 ; 27 (a)

PORTA |= (1<<PA2)|(1<<PA3)|(1<<PA4);
d4: 8b b3 in r24, 0x1b ; 27 (b)
d6: 8c 61 ori r24, 0x1C ; 28 (c)
d8: 8b bb out 0x1b, r24 ; 27 (d)
...
</pre></div>

Das Setzen des einzelnen Bits wird bei eingeschalteter Optimierung für Register im unteren Speicherbereich in eine einzige Assembler-Anweisung (sbi) übersetzt und ist nicht anfällig für Unterbrechungen durch Interrupts. Die Anweisung zum Setzen von drei Bits wird jedoch in drei abhängige Assembler-Anweisungen übersetzt und bietet damit zwei "Angriffspunkte" für Unterbrechungen. Eine Interrupt-Routine könnte nach dem Laden des Ausgangszustands in den Zwischenspeicher (hier Register 24) den Wert des Registers ändern, z. B. ein Bit löschen. Damit würde der Zwischenspeicher nicht mehr mit dem tatsächlichen Zustand übereinstimmen aber dennoch nach der Bitoperation (hier ori) in das Register zurückgeschrieben.

Beispiel: PORTA sei anfangs 0b00000000. Die erste Anweisung (a) setzt Bit 0, PORTA ist danach 0b00000001. Nun wird im ersten Teil der zweiten Anweisung der Portzustand in ein Register eingelesen (b). Unmittelbar darauf (vor (c)) "feuert" ein Interrupt, in dessen Interrupt-Routine Bit 0 von PORTA gelöscht wird. Nach Verlassen der Interrupt-Routine hat PORTA den Wert 0b00000000. In den beiden noch folgenden Anweisungen des Hauptprogramms wird nun der zwischengespeicherte "alte" Zustand 0b00000001 mit 0b00011100 logisch-oder-verknüft (c) und das Ergebnis 0b00011101 in PortA geschrieben (d). Obwohl zwischenzeitlich Bit 0 gelöscht wurde, ist es nach (d) wieder gesetzt.

Lösungsmöglichkeiten:
* Register ohne besondere Vorkehrungen nicht in Interruptroutinen ''und'' im Hauptprogramm verändern.
* Interrupts vor Veränderungen in Registern, die auch in ISRs verändert werden, deaktivieren ("cli").
* Bits einzeln löschen oder setzen. sbi und cbi können nicht unterbrochen werden. Vorsicht: nur Register im unteren Speicherbereich sind mittels sbi/cbi ansprechbar. Der Compiler kann nur für diese sbi/cbi-Anweisungen generieren. Für Register außerhalb dieses Adressbereichs ("Memory-Mapped"-Register) werden auch zur Manipulation einzelner Bits abhängige Anweisungen erzeugt (lds,...,sts).

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Frequently asked Questions/Fragen Nr. 1 und 8. (Stand: avr-libc Vers. 1.0.4)

== Interruptflags löschen ==

Beim Löschen von Interruptflags haben AVRs eine Besonderheit, die auch im Datenblatt beschrieben ist: Es wird zum Löschen eine 1 in das betreffende Bit geschrieben.

Hinweis: Dazu '''nicht''' übliche bitweise VerODERung nehmen, sondern eine direkte Zuweisung machen ([http://www.mikrocontroller.net/topic/171148#1640133 Erklärung]).

== Was macht das Hauptprogramm? ==

Im einfachsten (Ausnahme-)Fall gar nichts mehr. Es ist also durchaus denkbar, ein Programm zu schreiben, welches in der main-Funktion lediglich noch die Interrupts aktiviert und dann in einer Endlosschleife verharrt. Sämtliche Funktionen werden dann in den ISRs abgearbeitet. Diese Vorgehensweise ist jedoch bei den meisten Anwendungen schlecht: man verschenkt eine Verarbeitungsebene und hat außerdem möglicherweise Probleme durch Interruptroutinen, die zu viel Verarbeitungszeit benötigen.

Normalerweise wird man in den Interruptroutinen nur die bei Auftreten des jeweiligen Interruptereignisses unbedingt notwendigen Operationen ausführen lassen. Alle weniger kritischen Aufgaben werden dann im Hauptprogramm abgearbeitet.

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Interrupts and Signals

= Sleep-Modes =

AVR Controller verfügen über eine Reihe von sogenannten [[Sleep Mode |''Sleep-Modes'']] ("Schlaf-Modi"). Diese ermöglichen es, Teile des Controllers abzuschalten. Zum Einen kann damit besonders bei Batteriebetrieb Strom gespart werden, zum Anderen können Komponenten des Controllers deaktiviert werden, die die Genauigkeit des Analog-Digital-Wandlers bzw. des Analog-Comparators negativ beeinflussen. Der Controller wird durch Interrupts aus dem Schlaf geweckt. Welche Interrupts den jeweiligen Schlafmodus beenden, ist einer Tabelle im Datenblatt des jeweiligen Controllers zu entnehmen.
Die Funktionen (eigentlich Makros) der avr-libc stehen nach Einbinden der header-Datei ''sleep.h'' zur Verfügung.

;set_sleep_mode (uint8_t mode): Setzt den Schlafmodus, der bei Aufruf von sleep() aktiviert wird. In sleep.h sind einige Konstanten definiert (z. B. SLEEP_MODE_PWR_DOWN). Die definierten Modi werden jedoch nicht alle von sämtlichten AVR-Controllern unterstützt.
;sleep_enable(): Aktiviert den gesetzten Schlafmodus, versetzt den Controller aber noch nicht in den Schlafmodus
;sleep_cpu(): Versetzt den Controller in den Schlafmodus .sleep_cpu wird im Prinzip durch die Assembler-Anweisung ''sleep'' ersetzt.
;sleep_disable(): Deaktiviert den gesetzten Schlafmodus
;sleep_mode(): Versetzt den Controller in den mit set_sleep_mode gewählten Schlafmodus. Das Makro entspricht sleep_enable()+sleep_cpu()+sleep_disable(), beinhaltet also nicht die Aktivierung von Interrupts (besser nicht benutzen).

Bei Anwendung von sleep_cpu() müssen Interrupts also bereits freigeben sein (sei()), da der Controller sonst nicht mehr "aufwachen" kann. sleep_mode() ist nicht geeignet für die Verwendung in ISR Interrupt-Service-Routinen, da bei deren Abarbeitung Interrupts global deaktiviert sind und somit auch die möglichen "Aufwachinterrupts". Abhilfe: stattdessen sleep_enable(), sei(), sleep_cpu(), sleep_disable() und evtl. cli() verwenden (vgl. Dokumentation der avr-libc).

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/sleep.h>

int main(void)
{
...

while (1) {
...
set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);
sleep_mode();

// Code hier wird erst nach Auftreten eines entsprechenden
// "Aufwach-Interrupts" verarbeitet
...
}
}
</c>

In älteren Versionenen der avr-libc wurden nicht alle AVR-Controller durch die sleep-Funktionen richtig angesteuert. Mit avr-libc 1.2.0 wurde die Anzahl der unterstützten Typen jedoch deutlich erweitert. Bei nicht-unterstützten Typen erreicht man die gewünschte Funktionalität durch direkte "[[Bitmanipulation]]" der entsprechenden Register (vgl. Datenblatt) und Aufruf des Sleep-Befehls via Inline-Assembler oder sleep_cpu():

<c>
#include <avr/io.h>
...
// Sleep-Mode "Power-Save" beim ATmega169 "manuell" aktivieren
SMCR = (3<<SM0) | (1<<SE);
asm volatile ("sleep"::); // alternativ sleep_cpu() aus sleep.h
...
</c>

== Sleep Modi ==
Zu beachten ist, dass unterschiedliche Prozessoren aus der AVR Familie unterschiedliche Sleep-Modi unterstützen oder nicht unterstützen. Auskunft über die tatsächlichen Gegebenheiten gibt, wie immer, das zum Prozessor gehörende Datenblatt. Die unterschiedlichen Modi unterscheiden sich dadurch, welche Bereiche des Prozessors abgeschaltet werden. Damit korrespondiert unmittelbar welche Möglichkeiten es gibt, den Prozessor aus den jeweiligen Sleep Modus wieder aufzuwecken.

;Idle Mode (SLEEP_MODE_IDLE): Die CPU kann durch SPI, USART, Analog Comperator, ADC, TWI, Timer, Watchdog und irgendeinen anderen Interrupt wieder aufgeweckt werden.

;ADC Noise Reduction Mode (SLEEP_MODE_ADC): In diesem Modus liegt das Hauptaugenmerk darauf, die CPU soweit stillzulegen, dass der ADC möglichst keine Störungen aus dem inneren der CPU auffangen kann. Aufwachen aus diesem Modus kann ausgelöst werden durch den ADC, externe Interrupts, TWI, Timer und Watchdog.

;Power-Down Mode (SLEEP_MODE_PWR_DOWN): In diesem Modus wird ein externer Oszillator (Quarz, Quarzoszillator) gestoppt. Geweckt werden kann die CPU durch einen externen Level Interrupt, TWI, Watchdog, Brown-Out-Reset

;Power-Save-Mode (SLEEP_MODE_PWR_SAVE): Power-Save ist identisch zu Power-Down mit einer Ausnahme: Ist der Timer 2 auf die Verwendung eines externen Taktes konfiguriert, so läuft dieser Timer auch im Power-Save weiter und kann die CPU mit einem Interrupt aufwecken.

;Standby-Mode (SLEEP_MODE_STANDBY, SLEEP_MODE_EXT_STANDBY): Voraussetzung für den Standby-Modus ist die Verwendung eines Quarzes oder eines Quarzoszillators (also einer externen Taktquelle). Ansonsten ist dieser Modus identisch zum Power-Down Modus. Vorteil dieses Modus ist eine kürzere Aufwachzeit.

Siehe auch:
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Power Management and Sleep-Modes
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/96369#832712 Forenbeitrag] zur "Nichtverwendung" von sleep_mode in ISRs.

= Zeiger =
Zeiger (engl. /pointer/), d.h. Variablen, die die Adresse von Daten oder Funktionen enthalten, belegen 16 bits. Das hängt mit dem addressierbaren Speicherbereich zusammen, und gcc reserviert dann den entsprechenden Platz.
Ggf. ist es also günstiger, Indizes auf Arrays (Listen) zu verwenden, so dass der GCC für die Zeigerarithmetik den erforderlichen RAM nur temporär benötigt.

Siehe auch: [[Zeiger]]

= Speicherzugriffe =

Atmel AVR-Controller verfügen typisch über drei Speicher:

* [[RAM]]: Im RAM (genauer statisches RAM/SRAM) wird vom gcc-Compiler Platz für Variablen reserviert. Auch der Stack befindet sich im RAM. Dieser Speicher ist "flüchtig", d.h. der Inhalt der Variablen geht beim Ausschalten oder einem Zusammenbruch der Spannungsversorgung verloren.

* Programmspeicher: Ausgeführt als FLASH-Speicher, seitenweise wiederbeschreibbar. Darin ist das Anwendungsprogramm abgelegt.

* [[EEPROM]]: Nichtflüchtiger Speicher, d.h. der einmal geschriebene Inhalt bleibt auch ohne Stromversorgung erhalten. Byte-weise schreib/lesbar. Im EEPROM werden typischerweise gerätespezifische Werte wie z. B. Kalibrierungswerte von Sensoren abgelegt.

Einige AVRs besitzen keinen RAM-Speicher, lediglich die Register können als "Arbeitsvariablen"
genutzt werden. Da die Anwendung des avr-gcc auf solch "kleinen" Controllern ohnehin selten sinnvoll ist und auch nur bei einigen RAM-losen Typen nach [http://lightner.net/avr/ATtinyAvrGcc.html "Bastelarbeiten"] möglich ist, werden diese Controller hier nicht weiter berücksichtigt. Auch EEPROM-Speicher ist nicht auf allen Typen verfügbar. Generell sollten die nachfolgenden Erläuterungen auf alle ATmega-Controller und die größeren AT90-Typen übertragbar sein. Für die Typen ATtiny2313, ATtiny26 und viele weitere der "ATtiny-Reihe" gelten die Ausführungen ebenfalls.

Siehe auch:
* [[Binäre Daten zum Programm hinzufügen]]
== RAM ==

Die Verwaltung des RAM-Speichers erfolgt durch den Compiler, im Regelfall ist beim Zugriff auf Variablen im RAM nichts Besonderes zu beachten. Die Erläuterungen in jedem brauchbaren C-Buch gelten auch für den vom avr-gcc-Compiler erzeugten Code.

Um Speicher dynamisch (während der Laufzeit) zu reservieren, kann '''malloc()''' verwendet werden. malloc(size) "alloziert" (~reserviert) einen gewissen Speicherblock mit '''size''' Bytes. Ist kein Platz für den neuen Block, wird NULL (0) zurückgegeben.

Wird der angelegte Block zu klein (groß), kann die Größe mit realloc() verändert werden. Den allozierten Speicherbereich kann man mit free() wieder freigeben. Wenn das Freigeben eines Blocks vergessen wird spricht man von einem "Speicherleck" (memory leak).

malloc() legt Speicherblöcke im '''Heap''' an, belegt man zuviel Platz, dann wächst der Heap zu weit nach oben und überschreibt den Stack, und der Controller kommt in Teufels Küche. Das kann leider nicht nur passieren wenn man insgesamt zu viel Speicher anfordert, sondern auch wenn man Blöcke unterschiedlicher Größe in ungünstiger Reihenfolge alloziert/freigibt (siehe Artikel [[Heap-Fragmentierung]]). Aus diesem Grund sollte man malloc() auf Mikrocontrollern sehr sparsam (am besten gar nicht) verwenden.

Beispiel zur Verwendung von malloc():
<c>
#include <stdlib.h>

void foo(void) {
// neuen speicherbereich anlegen,
// platz für 10 uint16
uint16_t* pBuffer = malloc(10 * sizeof(uint16_t));

// darauf zugreifen, als wärs ein gewohnter Buffer
pBuffer[2] = 5;

// Speicher (unbedingt!) wieder freigeben
free(pBuffer);
}
</c>

Wenn (wie in obigem Beispiel) dynamischer Speicher nur für die Dauer einer Funktion benötigt und am Ende wieder freigegeben wird, bietet es sich an, statt malloc() '''alloca()''' zu verwenden. Der Unterschied zu malloc() ist, dass der Speicher auf dem Stack reserviert wird, und beim Verlassen der Funktion automatisch wieder freigegeben wird. Es kann somit kein Speicherleck und keine Fragmentierung entstehen.

siehe auch:
* http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/malloc.html

== Programmspeicher (Flash) ==

Ein Zugriff auf Konstanten im Programmspeicher ist mittels avr-gcc nicht "transparent" möglich. D.h. es sind besondere Zugriffsfunktionen erforderlich, um Daten aus diesem Speicher zu lesen. Grundsätzlich basieren alle Zugriffsfunktionen auf der Assembler-Anweisung lpm (load program memory, bei AVR Controllern mit mehr als 64kB Flash auch elpm). Die Standard-Laufzeitbibliothek des avr-gcc (die avr-libc) stellt diese Funktionen nach Einbinden der Header-Datei pgmspace.h zur Verfügung. Mit diesen Funktionen können einzelne Bytes, Datenworte (16bit) und Datenblöcke gelesen werden.

Deklarationen von Variablen im Flash-Speicher werden durch das "Attribut" PROGMEM ergänzt. Lokale Variablen (eigentlich Konstanten) innerhalb von Funktionen können ebenfalls im Programmspeicher abgelegt werden. Dazu ist bei der Definition jedoch ein ''static'' voranzustellen, da solche "Variablen" nicht auf dem Stack bzw. (bei Optimierung) in Registern verwaltet werden können. Der Compiler "wirft" eine Warnung falls static fehlt.

<c>
#include <stdint.h>
#include <avr/pgmspace.h>

/* Byte */
const uint8_t pgmFooByte PROGMEM = 123;

/* Wort */
const uint16_t pgmFooWort PROGMEM = 12345;

/* Byte-Array */
const uint8_t pgmFooByteArray1[] PROGMEM = { 18, 3 ,70 };
const uint8_t pgmFooByteArray2[] PROGMEM = { 30, 7 ,79 };

/* Zeiger */
const uint8_t * const pgmPointerToArray1 PROGMEM = pgmFooByteArray1;
const uint8_t * const pgmPointerArray[] PROGMEM = { pgmFooByteArray1, pgmFooByteArray2 };

void foo(void)
{
static const uint8_t pgmTestByteLocal PROGMEM = 0x55;
static const char pgmTestStringLocal[] PROGMEM = "im Flash";
// so nicht (static fehlt)
// char pgmTestStringLocalFalsch [] PROGMEM = "so nicht";
}
</c>

=== Byte lesen ===

Mit der Funktion pgm_read_byte aus pgmspace.h erfolgt der Zugriff auf die Daten. Parameter der Funktion ist die Adresse des Bytes im Flash-Speicher.

<c>
#include <avr/pgmspace.h>

const uint8_t pgmFooByte PROGMEM = 123;
const uint8_t pgmFooByteArray1[] PROGMEM = { 18, 3, 70 };

void foo (coid)
// Wert der Ram-Variablen myByte auf den Wert von pgmFooByte setzen:
uint8_t myByte;

myByte = pgm_read_byte (&pgmFooByte);
// myByte hat nun den Wert 123

// Schleife ueber ein Array aus Byte-Werten im Flash
uint8_t i;

for (i = 0; i < 3; i++)
{
myByte = pgm_read_byte (&pgmFooByteArray1[i]);
// mach was mit myByte
}
</c>

=== Wort lesen ===

Für "einfache" 16-Bit breite Variablen erfolgt der Zugriff analog zum Byte-Beispiel, jedoch mit der Funktion <code>pgm_read_word</code>:

<c>
const uint16_t pgmFooWort PROGMEM = 12345;

uint16_t myWord = pgm_read_word (&pgmFooWort);
</c>

Zeiger auf Werte im Flash sind ebenfalls 16 Bits "groß".
Damit ist der mögliche Speicherbereich für "Flash-Konstanten" auf 64kB begrenzt.<ref>Einige avr-libc/pgmspace-Funktionen ermöglichen den Lesezugriff auf den gesamten Flash-Speicher, intern via Assembler Anweisung ELPM. Die Initialisierungswerte des Speicherinhalts jenseits der 64kB-Marke müssen dann jedoch auf anderem Weg angelegt werden, d.h. nicht per PROGMEM; evtl. eigene Section und Linker-Optionen. Alt und nicht ganz korrekt: Die avr-libc pgmspace-Funktionen unterstützen nur die unteren 64kB Flash bei Controllern mit mehr als 64kB.</ref>

<c>
const uint8_t *ptrToArray;

ptrToArray = (const uint8_t*) pgm_read_word (&pgmPointerToArray1);
// ptrToArray enthält nun die Startadresse des Byte-Arrays pgmFooByteArray1
// Allerdings würde ein direkter Zugriff mit diesem Pointer (z. B. temp=*ptrToArray)
// nicht den Inhalt von pgmFooByteArray1[0] liefern, sondern von einer Speicherstelle
// im RAM, die die gleiche Adresse hat wie pgmFooByteArray1[0]
// Daher muss nun die Funktion pgm_read_byte() benutzt werden, die die in ptrToArray
// enthaltene Adresse benutzt und auf das Flash zugreift.

for (i = 0; i < 3; i++)
{
myByte = pgm_read_byte (ptrToArray+i);
// mach was mit myByte... (18, 3, 70)
}

ptrToArray = (const uint8_t*) pgm_read_word (&pgmPointerArray[1]);

// ptrToArray enthält nun die Adresse des ersten Elements des Byte-Arrays pgmFooByteArray2
// da im zweiten Element des Pointer-Arrays pgmPointerArray die Adresse
// von pgmFooByteArray2 abgelegt ist

for (i = 0; i < 3; i++)
{
myByte = pgm_read_byte (ptrToArray+i);
// mach was mit myByte... (30, 7, 79)
}
</c>

=== Block lesen ===
In den Standard-Flash Funktionen ist keine der pgm_read_xxxx Nomenklatur folgenden Funktion enthalten, die einen kompletten Block ausliest. Die enstprechende Funktion ist eine Variante von memcpy und heißt memcpy_P().

Was diese Funktion im Prinzip macht, ist einfach in einer Schleife pgm_read_byte zu benutzen, um einen Speicherblock von der Quelladresse im Flash an eine Zieladresse im SRAM zu kopieren.

<c>
void pgm_read_block( uint8_t* pTarget, const uint8_t* pSource, size_t len )
{
size_t i;

for( i = 0; i < len; ++i )
*pTarget++ = pgm_read_byte( pSource++ );
}
</c>

Damit ist es dann natürlich kein Problem mehr ganze Arrays oder Strukturen aus dem Flash in das SRAM zu übertragen.

=== Strings lesen ===
Strings sind in C nichts anderes als eine Abfolge von Zeichen. Der prinzipielle Weg ist daher identisch zu "Bytes lesen", wobei allerdings auf die [http://www.mikrocontroller.net/articles/FAQ#Wie_funktioniert_String-Verarbeitung_in_C.3F Besonderheiten von Strings] wie 0-Terminierung geachtet werden muss, bzw. diese zur Steuerung einer Schleife über die Zeichen im String ausgenutzt werden kann

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/pgmspace.h>

const char pgmString[] PROGMEM = "Hello world";

int main()
{
char c;
const char* addr;

addr = pgmString;
while (c = pgm_read_byte (addr++), c != '\0')
{
// mach was mit c
}
}
</c>

Zur Unterstützung des Programmierers steht das Repertoir der str-Funktionen auch in jeweils eine Variante zur Verfügung, die mit dem Flash-Speicher arbeiten kann. Die Funktionsnamen tragen den Suffix <tt>_P</tt>.

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/pgmspace.h>

const char pgmString[] PROGMEM = "Hallo world";

void foo (void)
{
char string[40];

strcpy_P (string, pgmString);
}
</c>

=== Float lesen ===

Auch um floats zu lesen gibt es ein Makro:

<c>
float pgmFloatArray[3] PROGMEM = {1.1, 2.2, 3.3};

void read_float (void)
{
int i;
float f;

for (i=0; i<3; i++)
{
// entspricht f = pgmFloatArray[i];
f = pgm_read_float (&pgmFloatArray[i]);
// mach was mit f
}
}
</c>

TODO: Beispiele für structs und pointer aus Flash auf struct im Flash (menues, state-machines etc.). Eine kleine Einleitung insbesondere auch in Bezug auf die auftretenden Schwierigkeiten liefert [http://www.mail-archive.com/avr-gcc-list@nongnu.org/msg05652.html].

=== Array aus Strings im Flash-Speicher ===

Arrays aus Strings im Flash-Speicher werden in zwei Schritten angelegt: Zuerst die einzelnen Elemente des Arrays und im Anschluss ein Array, in dem die Startaddressen der Strings abgelegt werden. Zum Auslesen wird zuerst die Adresse des i-ten Elements aus dem Array im Flash-Speicher gelesen, die im Anschluss dazu genutzt wird, auf das Element (den String) selbst zuzugreifen.

<c>
#include <stdint.h>
#include <avr/pgmspace.h>

const char str1[] PROGMEM = "first_A";
const char str2[] PROGMEM = "second_A";
const char str3[] PROGMEM = "third_A";

const char * const strarray1[] PROGMEM =
{
str1,
str2,
str3
};

static char work[20];

void read_strings (void)
{
size_t i;

for (i = 0; i < sizeof (strarray1) / sizeof (strarray1[0]); i++)
{
size_t j, len;

// setze Pointer auf die Addresse des i-ten Elements des
// Flash-Arrays (str1, str2, ...)
const char *pstrflash = (const char*) pgm_read_word (&strarray1[i]);

// kopiere den Inhalt der Zeichenkette von der
// in pstrflash abgelegten Adresse in das work-Array
// analog zu strcpy( work, strarray1[i]) wenn alles im RAM
strcpy_P (work, pstrflash);

// Gleichbedeutend damit:
strcpy_P (work, (const char*) pgm_read_word (&strarray1[i]));

// Zeichen-fuer-Zeichen
len = strlen_P (&strarray1[i]);

// <= da auch das Stringende-Zeichen kopiert werden soll
for (j = 0; j <= len; j++)
{
// analog zu work[j] = strarray[i][j] wenn alles im RAM
work[i] = (char) pgm_read_byte (pstrflash++);
}
}
}
</c>

Siehe dazu auch die avr-libc FAQ: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/FAQ.html#faq_rom_array How do I put an array of strings completely in ROM?]

=== Vereinfachung für Zeichenketten (Strings) im Flash ===

Zeichenketten können innerhalb des Quellcodes als "Flash-Konstanten" ausgewiesen werden. Dazu dient das Makro PSTR aus pgmspace.h. Dies erspart die getrennte Deklaration mit PROGMEM-Attribut.

<c>
#include <string.h>
#include <avr/pgmspace.h>

#define MAXLEN 30

char StringImFlash[] PROGMEM = "Erwin Lindemann";
char StringImRam[MAXLEN];

void read_string (void)
{
strcpy (StringImRam, "Mueller-Luedenscheidt");

if (!strncmp_P (StringImRam, StringImFlash, 5))
{
// mach was, wenn die ersten 5 Zeichen identisch - hier nicht
}
else
{
// der Code hier wuerde ausgefuehrt
}

if (!strncmp_P (StringImRam, PSTR("Mueller-Schmitt"), 5))
{
// der Code hier wird ausgefuehrt, wenn die ersten
// 5 Zeichen uebereinstimmen
}
else
{
// wird bei Nicht-Uebereinstimmung ausgefuehrt
}
}
</c>

Aber Vorsicht: Ersetzt man zum Beispiel
<c>
// Daten im "Flash"
const char flashText[] PROGMEM = "mit[]";
</c>
durch
<c>
// Hier wird "mit*" im RAM angelegt und flashPointer
// enthaelt die Adresse
const char* const flashPointer PROGMEM = "mit*";
</c>
dann kann es zu Problemen kommen.

Übergibt man Zeichenketten, die im Flash abglegt sind an eine Funktion – also die Adresse des ersten Zeichens – so muss die Funktion entsprechend programmiert sein. Die Funktion selbst hat keine Möglichkeit zu unterscheiden, ob es sich um eine Flash-Adresse oder ein RAM-Adresse handelt. Die avr-libc und viele andere avr-gcc-Bibliotheken halten sich an die Konvention, dass Namen von Funktionen, die Flash-Adressen erwarten, mit dem Suffix <code>_P</code> versehen sind.

Eine Funktion, die einen im Flash abgelegten String z. B. an eine UART ausgibt, würde dann so aussehen:

<c>
void uart_puts_p (const char *text)
{
char zeichen;

while ((zeichen = pgm_read_byte (text)))
{
// so lange, wie mittels pgm_read_byte nicht das Stringende
// gelesen wurde: gib dieses Zeichen aus

uart_putc (Zeichen);
text++;
}
}
</c>

Von einigen Bibliotheken werden Makros definiert, die "automatisch" ein PSTR bei Verwendung einer Funktion einfügen. Ein Blick in den Header-File der Bibliothek zeigt, ob dies der Fall ist. Ein Beispiel aus P. Fleurys lcd-Library:

<c>
// Ausschnitt aus dem Header-File lcd.h der "Fleury-LCD-Lib."
extern void lcd_puts_p (const char *progmem_s);
#define lcd_puts_P(__s) lcd_puts_p(PSTR(__s))

// in einer Anwendung
#include <avr/pgmspace.h>
#include <string.h>
#include "lcd.h"

const char StringImFlash[] PROGMEM = "Erwin Lindemann";

void my_write (coid)
{
lcd_puts_p (StringImFlash);
lcd_puts_P ("Dr. Kloebner");
}</c>

=== Flash in der Anwendung schreiben ===

Bei AVRs mit "self-programming"-Option – auch bekannt als [[Bootloader]]-Support – können Teile des Flash-Speichers vom Anwendungsprogramm beschrieben werden. Dies ist nur möglich, wenn die Schreibfunktion in einem besonderen Speicherbereich, der boot-section des Programmspeichers/Flash, abgelegt ist.

Bei einigen kleinen AVRs gibt es keine gesonderte Boot-Section, bei diesen kann der Flashspeicher von jeder Stelle des Programms geschrieben werden. Für Details sei hier auf das jeweilige Controller-Datenblatt und die Erläuterungen zum Modul boot.h der avr-libc verwiesen. Es existieren auch Application-Notes dazu bei atmel.com, die auf avr-gcc-Code übertragbar sind.

Siehe auch:
* Forumsbeitrag [http://www.mikrocontroller.net/topic/163632#1561622 Daten in Programmspeicher speichern]

=== Warum so kompliziert? ===

Zu dem Thema, warum die Verabeitung von Werten aus dem Flash-Speicher so kompliziert ist, sei hier nur kurz erläutert: Die Harvard-Architektur des AVR weist getrennte Adressräume für Programm(Flash)- und Datenspeicher(RAM) auf. Der C-Standard und der gcc-Compiler sehen keine unterschiedlichen Adressräume vor.

Hat man zum Beispiel eine Funktion string_an_uart(const char* s) und übergibt an diese Funktion die Adresse einer Zeichenkette, z. B. 0x01fe, weiß die Funktion nicht, ob die Adresse auf den Flash-Speicher oder den/das RAM zeigt. Allein aus dem Pointer-Wert, also dem Zahlenwert, kann nicht auf den Ort der Ablage geschlossen werden.

Einige AVR-Compiler bilden die Harvard-Architektur ab, indem sie in einen Pointer nicht nur die Adresse speichern, sondern auch den Ablageort wie ''Flash'' oder ''RAM''. In einem Aufruf einer Funktion wird dann bei Pointer-Parametern neben der Adresse auch der Speicherbereich, auf den der Pointer zeigt, übergeben. Dies hat jedoch auch Nachteile, denn bei jeden Zugriff über einen Zeiger muss zur ''Laufzeit'' entschieden werden, wie der Zugriff auszuführen ist und entsprechend länglicher und langsamer kann Code ausgeführt werden.

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitte Modules/Program Space String Utilities und Abschnitt Modules/Bootloader Support Utilities

== EEPROM ==

Man beachte, dass der EEPROM-Speicher nur eine begrenzte Anzahl von Schreibzugriffen zulässt. Beschreibt man eine EEPROM-Zelle öfter als die im Datenblatt zugesicherte Anzahl (typisch 100.000), wird die Funktion der Zelle nicht mehr garantiert.
Dies gilt für jede einzelne Zelle. Bei geschickter Programmierung (z. B. Ring-Puffer), bei der die zu beschreibenden Zellen regelmäßig gewechselt werden, kann man eine deutlich höhere Anzahl an Schreibzugriffen, bezogen auf den Gesamtspeicher, erreichen.

Schreib- und Lesezugriffe auf den EEPROM-Speicher erfolgen über die im Modul eeprom.h definierten Funktionen. Mit diesen Funktionen können einzelne Bytes, Datenworte (16bit) und Datenblöcke geschrieben und gelesen werden.

Bei Nutzung des EEPROMs ist zu beachten, dass vor dem Zugriff auf diesen Speicher abgefragt wird, ob der Controller die vorherige EEPROM-Operation abgeschlossen hat. Die avr-libc-Funktionen beinhalten diese Prüfung, man muss sie nicht selbst implementieren. Man sollte auch verhindern, dass der Zugriff durch die Abarbeitung einer Interrupt-Routine unterbrochen wird, da bestimme Befehlsabfolgen vorgegeben sind, die innerhalb weniger Taktzyklen aufeinanderfolgen müssen ("timed sequence"). Auch dies muss bei Nutzung der Funktionen aus der avr-libc/eeprom.h-Datei nicht selbst implementiert werden. Innerhalb der Funktionen werden Interrupts vor der "EEPROM-Sequenz" global deaktiviert und im Anschluss, falls vorher auch schon eingeschaltet, wieder aktiviert.

Um eine Variable im EEPROM anzulegen, stellt die avr-libc das Makro EEMEM zur Verfügung<ref>In älteren Versionen der avr-libc ist EEMEM noch nicht vorhanden, und man kann sich folgendermassen behelfen:
<c>
#include <avr/eeprom.h>

#ifndef EEMEM
#define EEMEM __attribute__((section (".eeprom")))
#endif
</c></ref>, das analog zu PROGMEM verwendet wird.

<c>
#include <stdint.h>
#include <avr/eeprom.h>

/* Byte */
uint8_t eeFooByte EEMEM = 123;

/* Wort */
uint16_t eeFooWord EEMEM = 12345;

/* float */
float eeFooFloat EEMEM;

/* Byte-Array */
uint8_t eeFooByteArray1[] EEMEM = { 18, 3, 70 };
uint8_t eeFooByteArray2[] EEMEM = { 30, 7, 79 };

/* 16-bit unsigned short feld */
uint16_t eeFooWordArray1[4] EEMEM;
</c>

=== Bytes lesen/schreiben ===

Die avr-libc Funktion zum Lesen eines Bytes heißt eeprom_read_byte. Parameter ist die Adresse des Bytes im EEPROM. Geschrieben wird über die Funktion eeprom_write_byte mit den Parametern Adresse und Inhalt. Anwendungsbeispiel:

<c>
#define EEPROM_DEF 0xFF

void eeprom_example (void)
{
uint8_t myByte;

// myByte lesen (Wert = 123)
myByte = eeprom_read_byte (&eeFooByte);

// der Wert 99 wird im EEPROM an die Adresse der
// Variablen eeFooByte geschrieben
myByte = 99;
eeprom_write_byte(&eeFooByte, myByte); // schreiben

myByte = eeprom_read_byte &eeFooByteArray1[1]);
// myByte hat nun den Wert 3

// Beispiel zur "Sicherung" gegen leeres EEPROM nach "Chip Erase"
// (z. B. wenn die .eep-Datei nach Programmierung einer neuen Version
// des Programms nicht in den EEPROM uebertragen wurde und EESAVE
// deaktiviert ist (unprogrammed/1)
//
// Vorsicht: wenn EESAVE "programmed" ist, hilft diese Sicherung nicht
// weiter, da die Speicheraddressen in einem neuen/erweiterten Programm
// moeglicherweise verschoben wurden. An der Stelle &eeFooByte steht
// dann u.U. der Wert einer anderen Variable aus einer "alten" Version.

uint8_t fooByteDefault = 222;
if ((myByte = eeprom_read_byte (&eeFooByte)) == EEPROM_DEF)
{
myByte = fooByteDefault;
}
}
</c>

=== Wort lesen/schreiben ===

Schreiben und Lesen von Datenworten erfolgt analog zur Vorgehensweise bei Bytes:

<c>
// lesen
uint16_t myWord = eeprom_read_word (&eeFooWord);

// schreiben
eeprom_write_word (&eeFooWord, 2222);
</c>

=== Block lesen/schreiben ===

Lesen und Schreiben von Datenblöcken erfolgt über die Funktionen <code>eeprom_read_block()</code> bzw. <code>eeprom_write_block()</code>. Die Funktionen erwarten drei Parameter: die Adresse der Quell- bzw. Zieldaten im RAM, die EEPROM-Addresse und die Länge des Datenblocks in Bytes als <code>size_t</code>.
<c>
uint8_t myByteBuffer[3];
uint16_t myWordBuffer[4];

void eeprom_block_example (void)
{
/* Datenblock aus EEPROM lesen */

/* liest 3 Bytes ab der von eeFooByteArray1 definierten EEPROM-Adresse
in das RAM-Array myByteBuffer */
eeprom_read_block (myByteBuffer, eeFooByteArray1, 3);

/* dito mit etwas Absicherung betr. der Länge */
eeprom_read_block (myByteBuffer, eeFooByteArray1, sizeof(myByteBuffer));

/* und nun mit 16-Bit Array */
eeprom_read_block (myWordBuffer, eeFooWordArray1, sizeof(myWordBuffer));

/* Datenblock in EEPROM schreiben */
eeprom_write_block (myByteBuffer, eeFooByteArray1, sizeof(myByteBuffer));
eeprom_write_block (myWordBuffer, eeFooWordArray1, sizeof(myWordBuffer));
}
</c>

Ebenso lassen sich float-Variablen lesen und schreiben:

<c>
#include <avr/eeprom.h>

float eeFloat EEMEM = 12.34f;

float void eeprom_float_example (float value)
{
/* float in EEPROM schreiben */
eeprom_write_float (&eeFloat, value);

/* float aus EEPROM lesen */
return eeprom_read_float (&eeFloat);
}</c>

=== EEPROM-Speicherabbild in .eep-Datei ===

Mit den zum Compiler gehörenden Werkzeugen kann der aus den Variablendeklarationen abgeleitete EEPROM-Inhalt in eine Datei geschrieben werden. Die übliche Dateiendung ist .eep, Daten im Intel Hex-Format. Damit können Standardwerte für den EEPROM-Inhalt im Quellcode definiert werden.

Makefiles nach WinAVR/MFile-Vorlage enthalten bereits die notwendigen Einstellungen, siehe dazu die Erläuterungen im [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs Makefiles|Exkurs Makefiles]].

Der Inhalt der eep-Datei muss ebenfalls zum Mikrocontroller übertragen werden, wenn die Initialisierungswerte aus der Deklaration vom Programm erwartet werden. Ansonsten enthält der EEPROM-Speicher nach der Übertragung des Programmers mittels ISP abhängig von der Einstellung der EESAVE-Fuse<ref>vgl. Datenblatt Abschnitt Fuse Bits</ref> nicht die korrekten Werte:
; EESAVE = 0 (programmed): Die Daten im EEPROM bleiben erhalten. Werden sie nicht neu geschrieben, so enthält das EEPROM evtl. Daten, die nicht mehr zum Programm passen.
; EESAVE = 1 (unprogrammed): Beim Programmieren werden die Daten im EEPROM gelosch, also auf 0xff gesetzt.

Als Sicherung kann man im Programm nochmals die Standardwerte vorhalten, beim Lesen auf 0xFF prüfen und gegebenfalls einen Standardwert nutzen.

=== Direkter Zugriff auf EEPROM-Adressen ===

Will man direkt auf bestimmte EEPROM Adressen zugreifen, dann sind folgende Funktionen hilfreich, um sich die Typecasts zu ersparen:

<c>
#include <avr/eeprom.h>

// Byte aus dem EEPROM lesen
uint8_t EEPReadByte(uint16_t addr)
{
return eeprom_read_byte((uint8_t *)addr);
}

// Byte in das EEPROM schreiben
void EEPWriteByte(uint16_t addr, uint8_t val)
{
eeprom_write_byte((uint8_t *)addr, val);
}
</c>

oder als Makro:

<c>
#define EEPReadByte(addr) eeprom_read_byte((uint8_t *)addr)
#define EEPWriteByte(addr, val) eeprom_write_byte((uint8_t *)addr, val)
</c>

Verwendung:

<c>
EEPWriteByte(0x20, 128); // Byte an die Adresse 0x20 schreiben
...
Val=EEPReadByte(0x20); // EEPROM-Wert von Adresse 0x20 lesen
</c>

=== Bekannte Probleme bei den EEPROM-Funktionen ===

Vorsicht: Bei alten Versionen der avr-libc wurden nicht alle AVR Controller unterstützt. Z.B. bei der avr-libc Version 1.2.3 insbesondere bei AVRs "der neuen Generation" (ATmega48/88/168/169) funktionieren die Funktionen nicht korrekt (Ursache: unterschiedliche Speicheradressen der EEPROM-Register). In neueren Versionen (z. B. avr-libc 1.4.3 aus WinAVR 20050125) wurde die Zahl der unterstüzten Controller deutlich erweitert und eine Methode zur leichten Anpassung an zukünftige Controller eingeführt.

In jedem Datenblatt zu AVR-Controllern mit EEPROM sind kurze Beispielecodes für den Schreib- und Lesezugriff enthalten. Will oder kann man nicht auf die neue Version aktualisieren, kann der dort gezeigte Code auch mit dem avr-gcc (ohne avr-libc/eeprom.h) genutzt werden ("copy/paste", gegebenfalls Schutz vor Unterbrechnung/Interrupt ergänzen ''uint8_t sreg; sreg=SREG; cli(); [EEPROM-Code] ; SREG=sreg; return;'', siehe Abschnitt Interrupts). Im Zweifel hilft ein Blick in den vom Compiler erzeugten Assembler-Code (lst/lss-Dateien).

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/EEPROM handling

=== EEPROM Register ===
Um das EEPROM anzusteuern, sind drei Register von Bedeutung:
;EEAR: Hier werden die Adressen eingetragen zum Schreiben oder Lesen. Dieses Register unterteilt sich nochmal in EEARH und EEARL, da in einem 8-Bit-Register keine 512 Adressen adressiert werden können.
;EEDR: Hier werden die Daten eingetragen, die geschrieben werden sollen, bzw. es enthält die gelesenen Daten.
;EECR: Ist das Kontrollregister für das EEPROM

Das EECR steuert den Zugriff auf das EEPROM und ist wie folgt aufgebaut:

:{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''Aufbau des EECR-Registers'''
|-
!Bit
| 7 || 6 || 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| - || - || - ||- || EERIE || EEMWE || EEWE || EERE
|-
! Read/Write
| R || R || R || R || R/W || R/W || R/W || R/W
|-
!Init Value
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0
|}

'''Bedeutung der Bits'''

;Bit 4-7: nicht belegt

;Bit 3 (EERIE): ''EEPROM Ready Interrupt Enable'': Wenn das Bit gesetzt ist und globale Interrupts erlaubt sind in Register SREG (Bit 7), wird ein Interrupt ausgelöst nach Beendigung des Schreibzyklus (EEPROM Ready Interrupt). Ist einer der beiden Bits 0, wird kein Interrupt ausgelöst.

;Bit 2 EEMWE): ''EEPROM Master Write Enable'': Dieses Bit bestimmt, dass, wenn EEWE = 1 gesetzt wird (innerhalb von 4 Taktzyklen), das EEPROM beschrieben wird mit den Daten in EEDR bei Adresse EEAR. Wenn EEMWE = 0 ist und EEWE = 1 gesetzt wird, hat das keine Auswirkungen. Der Schreibvorgang wird dann nicht ausgelöst. Nach 4 Taktzyklen wird das Bit EEMWE automatisch wieder auf 0 gesetzt. Dieses Bit löst den Schreibvorgang nicht aus, es dient sozusagen als Sicherungsbit für EEWE.

;Bit 1 (EEWE): ''EEPROM Write Enable'': Dieses Bit löst den Schreibvorgang aus, wenn es auf 1 gesetzt wird, sofern vorher EEMWE gesetzt wurde und seitdem nicht mehr als 4 Taktzyklen vergangen sind. Wenn der Schreibvorgang abgeschlossen ist, wird dieses Bit automatisch wieder auf 0 gesetzt und, sofern EERIE gesetzt ist, ein Interrupt ausgelöst. Ein Schreibvorgang sieht typischerweise wie folgt aus:
:# EEPROM-Bereitschaft abwarten (EEWE=0)
:# Adresse übergeben an EEAR
:# Daten übergeben an EEDR
:# Schreibvorgang auslösen in EECR mit Bit EEMWE=1 und EEWE=1
:# (Optional) Warten, bis Schreibvorgang abgeschlossen ist

;Bit 0 EERE: ''EEPROM Read Enable'': Wird dieses Bit auf 1 gesetzt wird das EEPROM an der Adresse in EEAR ausgelesen und die Daten in EEDR gespeichert. Das EEPROM kann nicht ausgelesen werden, wenn bereits eine Schreiboperation gestartet wurde. Es ist daher zu empfehlen, die Bereitschaft vorher zu prüfen. Das EEPROM ist lesebereit, wenn das Bit EEWE=0 ist. Ist der Lesevorgang abgeschlossen, wird das Bit wieder auf 0 gesetzt, und das EEPROM ist für neue Lese- und Schreibbefehle wieder bereit. Ein typischer Lesevorgang kann wie folgt aufgebaut sein:
:# Bereitschaft zum Lesen prüfen (EEWE=0)
:# Adresse übergeben an EEAR
:# Lesezyklus auslösen mit EERE = 1
:# Warten, bis Lesevorgang abgeschlossen EERE = 0
:# Daten abholen aus EEDR

= Die Nutzung von sprintf und printf =

Um komfortabel, d.h. formatiert, Ausgaben auf ein Display oder die serielle Schnittstelle zu tätigen, bieten sich '''sprintf''' oder '''printf''' an. Alle *printf-Varianten sind jedoch ziemlich speicherintensiv und der Einsatz in einem Mikrocontroller mit knappem Speicher muss sorgsam abgewogen werden.

Bei '''sprintf''' wird die Ausgabe zunächst in einem Puffer vorbereitet und anschließend mit einfachen Funktionen zeichenweise ausgegeben. Es liegt in der Verantwortung des Programmierers, genügend Platz im Puffer für die erwarteten Zeichen bereitzuhalten.

<c>
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

// ...
// nicht dargestellt: Implementierung von uart_puts (vgl. Abschnitt UART)
// ...

uint16_t counter;

// Ausgabe eines unsigned Integerwertes
void uart_puti( uint16_t value )
{
uint8_t puffer[20];

sprintf( puffer, "Zählerstand: %u", value );
uart_puts( puffer );
}

int main()
{
counter = 5;

uart_puti( counter );
uart_puti( 42 );
}
</c>

Eine weitere elegante Möglichkeit besteht darin, den STREAM stdout (Standardausgabe) auf eine eigene Ausgabefunktion umzuleiten. Dazu wird dem Ausgabemechanismus der C-Bibliothek eine neue Ausgabefunktion bekannt gemacht, deren Aufgabe es ist, ein einzelnes Zeichen auszugeben. Wohin die Ausgabe dann tatsächlich stattfindet, ist Sache der Ausgabefunktion. Im Beispiel unten wird auf UART ausgegeben. Alle anderen, höheren Funktionen wie z. B. '''printf''', greifen letztendlich auf diese primitive Ausgabefunktion zurück.

<c>
#include <avr/io.h>
#include <stdio.h>

void uart_init(void);

// a. Deklaration der primitiven Ausgabefunktion
int uart_putchar(char c, FILE *stream);

// b. Umleiten der Standardausgabe stdout (Teil 1)
static FILE mystdout = FDEV_SETUP_STREAM( uart_putchar, NULL, _FDEV_SETUP_WRITE );

// c. Definition der Ausgabefunktion
int uart_putchar( char c, FILE *stream )
{
if( c == '\n' )
uart_putchar( '\r', stream );

loop_until_bit_is_set( UCSRA, UDRE );
UDR = c;
return 0;
}

void uart_init(void)
{
/* hier µC spezifischen Code zur Initialisierung */
/* des UART einfügen... s.o. im AVR-GCC-Tutorial */

// Beispiel:
//
// myAVR Board 1.5 mit externem Quarz Q1 3,6864 MHz
// 9600 Baud 8N1

#ifndef F_CPU
#define F_CPU 3686400
#endif
#define UART_BAUD_RATE 9600

// Hilfsmakro zur UBRR-Berechnung ("Formel" laut Datenblatt)
#define UART_UBRR_CALC(BAUD_,FREQ_) ((FREQ_)/((BAUD_)*16L)-1)

UCSRB |= (1<<TXEN) | (1<<RXEN); // UART TX und RX einschalten
UCSRC |= (1<<URSEL)|(3<<UCSZ0); // Asynchron 8N1

UBRRH = (uint8_t)( UART_UBRR_CALC( UART_BAUD_RATE, F_CPU ) >> 8 );
UBRRL = (uint8_t)UART_UBRR_CALC( UART_BAUD_RATE, F_CPU );
}

int main(void)
{
int16_t antwort = 42;
uart_init();

// b. Umleiten der Standardausgabe stdout (Teil 2)
stdout = &mystdout;

// Anwendung
printf( "Die Antwort ist %d.\n", antwort );
return 0;
}

// Quelle: avr-libc-user-manual-1.4.3.pdf, S.74
// + Ergänzungen
</c>

Sollen Fließkommazahlen ausgegeben werden, muss im Makefile eine andere (größere) Version der [[FAQ#Aktivieren_der_Floating_Point_Version_von_sprintf_beim_WinAVR_mit_AVR-Studio|printflib]] eingebunden werden.

= Anhang =

== Externe Referenzspannung des internen Analog-Digital-Wandlers ==

Die minimale (externe) Referenzspannung des ADC darf nicht beliebig niedrig sein, vgl. dazu das (aktuellste) Datenblatt des verwendeten Controllers. z. B. beim ATMEGA8 darf sie laut Datenblatt (S.245, Tabelle 103, Zeile "VREF") 2,0V nicht unterschreiten. HINWEIS: diese Information findet sich erst in der letzten Revision (Rev. 2486O-10/04) des Datenblatts.

Meiner  eigenen Erfahrung nach kann man aber (auf eigene Gefahr und natürlich nicht für Seriengeräte) durchaus noch ein klein wenig weiter heruntergehen, bei dem von mir unter die Lupe genommenen ATMEGA8L (also die Low-Voltage-Variante) funktioniert der ADC bei 5V Betriebsspannung mit bis zu VREF=1,15V hinunter korrekt, ab 1,1V und darunter digitalisiert er jedoch nur noch Blödsinn). Ich würde sicherheitshalber nicht unter 1,5V gehen und bei niedrigeren Betriebsspannungen mag sich die Untergrenze für VREF am Pin AREF ggf. nach oben'''(!)''' verschieben.

In der letzten Revision des Datenblatts ist außerdem korrigiert, dass ADC4 und ADC5 sehr wohl 10 Bit Genauigkeit bieten (und nicht bloß 8 Bit, wie in älteren Revisionen irrtümlich angegeben.)

= Anmerkungen =
<references/>
6. im bsp Quellcode zum ADC steht nicht explixit drin dass es sich um die singleconversion handelt da das ADFR bit nicht gesetzt wurde und es per default auf 0 steht. Ist kein schlimmer Fehlero.ä aber ich denke es wäre ein guter Hinweis.

= TODO =
* Aktualisierung Register- und Bitbeschreibungen an aktuelle AVR
* stdio.h, malloc()
* "naked"-Funktionen
* Übersicht zu den C bzw. GCC-predefined Makros (__DATE__, __TIME__,...)
* Bootloader => erl. [[AVR Bootloader in C - eine einfache Anleitung]]
* [http://myweb.msoe.edu/~barnicks/courses/CE-2800/documents/Mixing%20C%20and%20assembly%20language%20programs.pdf Mixing C and assembly language programs] Copyright © 2007 William Barnekow (PDF).

[[Kategorie:avr-gcc Tutorial| ]]

AVR-GCC-Tutorial

2011-10-09T05:37:58Z

Mfgkw: /* Die Register des ADC */

= Voraussetzungen =

Vorausgesetzt werden Grundkenntnisse der Progammiersprache C. Diese Kenntnisse kann man sich online erarbeiten, z. B. mit dem [http://www.schellong.de/c.htm C Tutorial von Helmut Schellong] ([[C|Liste von C-Tutorials]]). Nicht erforderlich sind Vorkenntnisse in der Programmierung von Mikrocontrollern, weder in Assembler noch in einer anderen Sprache.

= Vorwort =

Dieses Tutorial soll den Einstieg in die Programmierung von Atmel [[AVR]]-Mikrocontrollern in der Programmiersprache [[C]] mit dem freien C-Compiler [[AVR-GCC]] aus der [http://gcc.gnu.org/ GNU Compiler Collection] erleichtern.

In diesem Text wird häufig auf die Standardbibliothek avr-libc verwiesen, für die es eine [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Online-Dokumentation] gibt, in der sich auch viele nützliche Informationen zum Compiler und zur Programmierung von AVR Controllern finden (beim Packet WinAVR gehört die avr-libc Dokumentation zum Lieferumfang und wird mitinstalliert).

Der Compiler und die Standardbibliothek avr-libc werden stetig weiterentwickelt. Einige Unterschiede, die sich im Verlauf der Entwicklung ergeben haben, werden im Haupttext und Anhang zwar erläutert, Anfängern sei jedoch empfohlen, die aktuellen Versionen zu nutzen (für MS-Windows: aktuelle Version des [[WinAVR]]-Pakets; für Linux: siehe Artikel [[AVR und Linux]]).

Das ursprüngliche Tutorial stammt von Christian Schifferle, viele neue Abschnitte und aktuelle Anpassungen von Martin Thomas.

Dieses Tutorial ist in PDF-Form hier erhältlich (nicht immer auf aktuellem Stand):
[[Media:AVR-GCC-Tutorial.pdf]]

== Weiterführende Kapitel ==

Um dieses riesige Tutorial etwas überschaubarer zu gestalten, wurden einige Kapitel ausgelagert, die nicht unmittelbar mit den Grundlagen von avr-gcc in Verbindung stehen. All diese Seiten gehören zur [[:Kategorie:avr-gcc Tutorial]].
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Der UART|Der UART]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Der Watchdog|Der Watchdog]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Die Timer und Zähler des AVR|Die Timer und Zähler des AVR]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs Makefiles|Exkurs Makefiles]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/LCD-Ansteuerung|LCD-Ansteuerung]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Alte Quellen|Alte Quellen anpassen]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Assembler und Inline-Assembler|Assembler und Inline-Assembler]]

= Benötigte Werkzeuge =

Um eigene Programme für AVRs mittels avr-gcc/avr-libc zu erstellen und zu testen, wird folgende Hard- und Software benötigt:

* Platine oder Versuchsaufbau für die Aufnahme eines AVR Controllers, der vom avr-gcc Compiler unterstützt wird (alle ATmegas und die meisten AT90, siehe Dokumentation der avr-libc für unterstützte Typen). Dieses Testboard kann durchaus auch selbst gelötet oder auf einem Steckbrett aufgebaut werden. Einige Registerbeschreibungen dieses Tutorials beziehen sich auf den inzwischen veralteten AT90S2313. Der weitaus größte Teil des Textes ist aber für alle Controller der AVR-Familie gültig. Brauchbare Testplattformen sind auch das [[STK500]] und der [[AVR Butterfly]] von Atmel. Weitere Infos findet man in den Artikeln [[AVR#Starterkits|AVR Starterkits]] und [[AVR-Tutorial: Equipment]].

* Der avr-gcc Compiler und die avr-libc. Kostenlos erhältlich für nahezu alle Plattformen und Betriebssysteme. Für MS-Windows im Paket [[WinAVR]]; für Unix/Linux siehe auch Hinweise im Artikel [[AVR-GCC]] und im Artikel [[AVR und Linux]].

* Programmiersoftware und -[[AVR In System Programmer |hardware]] z. B. PonyProg (siehe auch: [[Pony-Prog Tutorial]]) oder [[AVRDUDE]] mit [[STK200]]-Dongle oder die von Atmel verfügbare Hard- und Software ([[STK500]], Atmel AVRISP, [[AVR-Studio]]).

* Nicht unbedingt erforderlich, aber zur Simulation und zum Debuggen unter MS-Windows recht nützlich: [[AVR-Studio]] (siehe Artikel [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs_Makefiles|Exkurs: Makefiles]]).

* Wer unter Windows und Linux gleichermassen entwickeln will, der sollte sich die [http://www.eclipse.org/ IDE Eclipse for C/C++ Developers] und das [http://avr-eclipse.sourceforge.net/wiki/index.php/The_AVR_Eclipse_Plugin AVR-Eclipse Plugin ] ansehen, beide sind unter Windows und Linux einfach zu installieren. Hier gibt es auch einen [[AVR_Eclipse|Artikel AVR Eclipse]] in dieser Wiki. Ebenfalls unter Linux und Windows verfügbar ist die Entwicklungsumgebung [http://www.codeblocks.org/ Code::Blocks] (aktuelle, stabile Versionen sind als Nightly Builds regelmäßig im [http://forums.codeblocks.org/ Forum] verfügbar). Innerhalb dieser Entwicklungsumgebung können ohne die Installation zusätzlicher Plugins "AVR-Projekte" angelegt werden. Für Linux gibt es auch noch das [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=25220&postdays=0&postorder=asc&start=0 KontrollerLab].

= Was tun, wenn's nicht "klappt"? =

* Herausfinden, ob es tatsächlich ein avr(-gcc) spezifisches Problem ist oder nur die eigenen C-Kenntnisse einer Auffrischung bedürfen. Allgemeine C-Fragen kann man eventuell "beim freundlichen Programmierer zwei Büro-, Zimmer- oder Haustüren weiter" loswerden. Ansonsten: [[C]]-Buch (gibt's auch "gratis" online) lesen.

* Die [[AVR Checkliste]] durcharbeiten.

* Die '''[http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc]''' lesen, vor allem (aber nicht nur) den Abschnitt Related Pages/'''Frequently Asked Questions''' = Oft gestellte Fragen (und Antworten dazu). Z.Zt leider nur in englischer Sprache verfügbar.

* Den Artikel [[AVR-GCC]] in diesem Wiki lesen.

* Das [http://www.mikrocontroller.net/forum/gcc GCC-Forum auf www.mikrocontroller.net] nach vergleichbaren Problemen absuchen.

* Das avr-gcc-Forum bei [http://www.avrfreaks.net AVRfreaks] nach vergleichbaren Problemen absuchen.

* Das [http://lists.gnu.org/archive/html/avr-gcc-list/ Archiv der avr-gcc Mailing-Liste] nach vergleichbaren Problemen absuchen.

* Nach Beispielcode suchen. Vor allem im ''Projects''-Bereich von [http://www.avrfreaks.net AVRfreaks] (anmelden).

* Google oder yahoo befragen schadet nie.

* Bei Problemen mit der Ansteuerung interner AVR-Funktionen mit C-Code: das Datenblatt des Controllers lesen (ganz und am Besten zweimal). Datenblätter sind auf den [http://www.atmel.com Atmel Webseiten] als pdf-Dateien verfügbar. Das komplette Datenblatt (complete) und nicht die Kurzfassung (summary) verwenden.

* Die Beispielprogramme im [[AVR-Tutorial]] sind zwar in AVR-Assembler verfasst, Erläuterungen und Vorgehensweisen sind aber auch auf C-Programme übertragbar.

* Einen Beitrag in eines der Foren oder eine Mail an die Mailing-Liste schreiben. Dabei möglichst viel Information geben: Controller, Compilerversion, genutzte Bibliotheken, Ausschnitte aus dem Quellcode oder besser ein [http://www.mikrocontroller.net/topic/72767#598986 Testprojekt] mit allen notwendigen Dateien, um das Problem nachzuvollziehen, sowie genaue Fehlermeldungen bzw. Beschreibung des Fehlverhaltens. Bei Ansteuerung externer Geräte die Beschaltung beschreiben oder skizzieren (z. B. mit [http://www.tech-chat.de/ Andys ASCII Circuit]). Siehe dazu auch: '''[http://www.tty1.net/smart-questions_de.html "Wie man Fragen richtig stellt"]'''.

= Erzeugen von Maschinencode =

Aus dem C-Quellcode erzeugt der avr-gcc Compiler (zusammen mit Hilfsprogrammen wie z. B. Präprozessor, Assembler und Linker) Maschinencode für den AVR-Controller. Üblicherweise liegt dieser Code dann im Intel Hex-Format vor ("Hex-Datei"). Die Programmiersoftware (z. B. [[AVRDUDE]], PonyProg oder AVRStudio/STK500-plugin) liest diese Datei ein und überträgt die enthaltene Information (den Maschinencode) in den Speicher des Controllers. Im Prinzip sind also "nur" der avr-gcc-Compiler (und wenige Hilfsprogramme) mit den "richtigen" Optionen aufzurufen, um aus C-Code eine "Hex-Datei" zu erzeugen. Grundsätzlich stehen dazu zwei verschiedene Ansätze zur Verfügung:

* Die Verwendung einer integrierten Entwicklungsumgebung (IDE = '''I'''ntegrated '''D'''evelopment '''E'''nvironment), bei der alle Einstellungen z. B. in Dialogboxen durchgeführt werden können. Unter Anderem kann AVRStudio ab Version 4.12 (kostenlos auf [http://www.atmel.com/ atmel.com]) zusammen mit WinAVR als integrierte Entwicklungsumgebung für den Compiler avr-gcc genutzt werden (dazu müssen AVRStudio und WinAVR auf dem Rechner installiert sein). Weitere IDEs (ohne Anspruch auf Vollständigkeit): [http://www.eclipse.org/ Eclipse for C/C++ Developers] (d.h. inkl. CDT) und das [http://avr-eclipse.sourceforge.net/wiki/index.php/The_AVR_Eclipse_Plugin AVR-Eclipse Plugin] (für diverse Plattformen, u.a. Linux und MS Windows, IDE und Plugin kostenlos), [http://sourceforge.net/projects/kontrollerlab KontrollerLab] (Linux/KDE, kostenlos). [http://www.atmanecl.com/EnglishSite/SoftwareEnglish.htm AtmanAvr] (MS Windows, relativ günstig), KamAVR (MS-Windows, kostenlos, wird augenscheinlich nicht mehr weiterentwickelt), [http://www.amctools.com/vmlab.htm VMLab] (MS Windows, ab Version 3.12 ebenfalls kostenlos). Integrierte Entwicklungsumgebungen unterscheiden sich stark in Ihrer Bedienung und stehen auch nicht für alle Plattformen zur Verfügung, auf denen der Compiler ausführbar ist (z. B. AVRStudio nur für MS-Windows). Zur Anwendung des avr-gcc Compilers mit IDEs sei hier auf deren Dokumentation verwiesen.

* Die Nutzung des Programms make mit passenden Makefiles. In den folgenden Abschnitten wird die Generierung von Maschinencode für einen AVR ("hex-Datei") aus C-Quellcode ("c-Dateien") anhand von "make" und den "Makefiles" näher erläutert. Viele der darin beschriebenen Optionen findet man auch im Konfigurationsdialog des avr-gcc-Plugins von AVRStudio (AVRStudio generiert ein makefile in einem Unterverzeichnis des Projektverzeichnisses).

Beim Wechsel vom makefile-Ansatz nach WinAVR-Vorlage zu AVRStudio ist darauf zu achten, dass AVRStudio (Stand: AVRStudio Version 4.13) bei einem neuen Projekt die Optimierungsoption (vgl. Artikel [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs_Makefiles|AVR-GCC-Tutorial/Exkurs: Makefiles]], typisch: -Os) nicht einstellt und die mathematische Bibliothek der avr-libc (libm.a, Linker-Option -lm) nicht einbindet. (Hinweis: Bei Version 4.16 wird beides bereits gesetzt). Beides ist Standard bei Verwendung von makefiles nach WinAVR-Vorlage und sollte daher auch im Konfigurationsdialog des avr-gcc-Plugins von AVRStudio "manuell" eingestellt werden, um auch mit AVRStudio kompakten Code zu erzeugen.

= Einführungsbeispiel =

Zum Einstieg ein kleines Beispiel, an dem die Nutzung des Compilers und der Hilfsprogramme (der sogenannten ''Toolchain'') demonstriert wird. Detaillierte Erläuterungen folgen in den weiteren Abschnitten dieses Tutorials.

Das Programm soll auf einem AVR Mikrocontroller einige Ausgänge ein- und andere ausschalten. Das Beispiel ist für einen ATmega16 programmiert ([http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2466.pdf Datenblatt]), kann aber sinngemäß für andere Controller der AVR-Familie modifiziert werden.

Ein kurzes Wort zur Hardware: Bei diesem Programm werden alle Pins von PORTB auf Ausgang gesetzt, und einige davon werden auf HIGH andere auf LOW gesetzt. Das kann je nach angeschlossener Hardware an diesen Pins kritisch sein. Am ungefährlichsten ist es, wenn nichts an den Pins angeschlossen ist und man die Funktion des Programmes durch eine Spannungsmessung mit einem Multimeter kontrolliert. Die Spannung wird dabei zwischen GND-Pin und den einzelnen Pins von PORTB gemessen.

Zunächst der Quellcode der Anwendung, der in einer Text-Datei mit dem Namen ''main.c'' abgespeichert wird.

<c>
/* Alle Zeichen zwischen Schrägstrich-Stern
und Stern-Schrägstrich sind Kommentare */

// Zeilenkommentare sind ebenfalls möglich
// alle auf die beiden Schrägstriche folgenden
// Zeichen einer Zeile sind Kommentar

#include <avr/io.h> // (1)

int main (void) { // (2)

DDRB = 0xFF; // (3)
PORTB = 0x03; // (4)

while(1) { // (5)
/* "leere" Schleife*/ // (6)
} // (7)

/* wird nie erreicht */
return 0; // (8)
}
</c>

# In dieser Zeile wird eine sogenannte Header-Datei eingebunden. In <code>avr/io.h</code> sind die Registernamen definiert, die im späteren Verlauf genutzt werden. Auch unter Windows wird ein <code>/</code> zur Kennzeichnung von Unterverzeichnissen in Include-Dateinamen verwendet und kein <code>\</code>.
# Hier beginnt das eigentliche Programm. Jedes C-Programm beginnt mit den Anweisungen in der Funktion <code>main</code>.
# Die Anschlüsse eines AVR ("Beinchen") werden zu Blöcken zusammengefasst, einen solchen Block bezeichnet man als Port. Beim ATmega16 hat jeder Port 8 Anschlüsse, bei kleineren AVRs können einem Port auch weniger als 8 Anschlüsse zugeordnet sein. Da per Definition (Datenblatt) alle gesetzten Bits in einem Datenrichtungsregister den entsprechenden Anschluss auf Ausgang schalten, werden mit DDRB=0xff alle Anschlüsse des Ports B als Ausgänge eingestellt.
# stellt die Werte der Ausgänge ein. Die den ersten beiden Bits des Ports zugeordneten Anschlüsse (PB0 und PB1) werden 1, alle anderen Anschlüsse des Ports B (PB2-PB7) zu 0. Aktivierte Ausgänge (logisch 1 oder "high") liegen auf Betriebsspannung (VCC, meist 5 Volt), nicht aktivierte Ausgänge führen 0 Volt (GND, Bezugspotential). Es ist sinnvoll, sich möglichst frühzeitig eine alternative Schreibweise beizubringen, die wegen der leichteren Überprüfbarkeit und Portierbarkeit oft im weiteren Tutorial und in Forenbeiträgen benutzt wird. Die Zuordnung sieht in diesem Fall so aus, Näheres dazu im Artikel [[Bitmanipulation]]:<c>PORTB = (1<<PB1) | (1<<PB0);</c>
# ist der Beginn der sogenannte ''Hauptschleife'' (main-loop). Dies ist eine Endlosschleife, welche kontinuierlich wiederkehrende Befehle enthält.
# In diesem Beispiel ist die Hauptschleife leer. Der Controller durchläuft die Schleife immer wieder, ohne dass etwas passiert. Eine solche Schleife ist notwendig, da es auf dem Controller kein Betriebssystem gibt, das nach Beendigung des Programmes die Kontrolle übernehmen könnte. Ohne diese Schleife kehrt das Programm aus <code>main</code> zurück, alle Interrupts werden deaktiviert und eine Endlosschleife betreten.
# Ende der Hauptschleife und Sprung zur passenden, öffnenden Klammer, also zu 5.
# ist das Programmende. Die Zeile ist nur aus Gründen der C-Kompatibilität enthalten: <c>int main(void)</c> besagt, dass die Funktion einen int-Wert zurückgibt. Die Anweisung wird aber nicht erreicht, da das Programm die Hauptschleife nie verlässt.

Um diesen Quellcode in ein lauffähiges Programm zu übersetzen, wird hier ein Makefile genutzt. Das verwendete Makefile findet sich auf der Seite [[Beispiel Makefile]] und basiert auf der Vorlage, die in WinAVR mitgeliefert wird und wurde bereits angepasst (Controllertyp ATmega16). Man kann das Makefile bearbeiten und an andere Controller anpassen oder sich mit dem Programm MFile menügesteuert ein Makefile "zusammenklicken". Das Makefile speichert man unter dem Namen <code>Makefile</code> (ohne Endung) im selben Verzeichnis, in dem auch die Datei <code>main.c</code> mit dem Programmcode abgelegt ist. Detailliertere Erklärungen zur Funktion von Makefiles finden sich im Artikel [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs_Makefiles|Exkurs: Makefiles]].

<pre>
D:\beispiel>dir

Verzeichnis von D:\beispiel

28.11.2006 22:53 <DIR> .
28.11.2006 22:53 <DIR> ..
28.11.2006 20:06 118 main.c
28.11.2006 20:03 16.810 Makefile
2 Datei(en) 16.928 Bytes
</pre>

Nun gibt man ''make all'' ein. Falls das mit WinAVR installierte Programmers Notepad genutzt wird, gibt es dazu einen Menüpunkt im Tools Menü. Sind alle Einstellungen korrekt, entsteht eine Datei <code>main.hex</code>, in welcher der Code für den AVR enthalten ist.
<pre>
D:\beispiel>make all

-------- begin --------
avr-gcc (GCC) 3.4.6
Copyright (C) 2006 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions. There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

Compiling C: main.c
avr-gcc -c -mmcu=atmega16 -I. -gdwarf-2 -DF_CPU=1000000UL -Os -funsigned-char -f
unsigned-bitfields -fpack-struct -fshort-enums -Wall -Wstrict-prototypes -Wundef
-Wa,-adhlns=obj/main.lst -std=gnu99 -Wundef -MD -MP -MF .dep/main.o.d main.c -
o obj/main.o

Linking: main.elf
avr-gcc -mmcu=atmega16 -I. -gdwarf-2 -DF_CPU=1000000UL -Os -funsigned-char -funs
igned-bitfields -fpack-struct -fshort-enums -Wall -Wstrict-prototypes -Wundef -W
a,-adhlns=obj/main.o -std=gnu99 -Wundef -MD -MP -MF .dep/main.elf.d obj/main.o
--output main.elf -Wl,-Map=main.map,--cref -lm

Creating load file for Flash: main.hex
avr-objcopy -O ihex -R .eeprom main.elf main.hex
</pre>

Der Inhalt der hex-Datei kann nun zum Controller übertragen werden. Dies kann z. B. über In-System-Programming ([[ISP]]) erfolgen, das im [[AVR-Tutorial: Equipment]] beschrieben ist. Makefiles nach der WinAVR/MFile-Vorlage sind für die Nutzung des Programms [[AVRDUDE]] vorbereitet. Wenn man den Typ und Anschluss des Programmiergerätes richtig eingestellt hat, kann mit ''make program'' die Übertragung mittels AVRDUDE gestartet werden. Jede andere Software, die hex-Dateien lesen und zu einem AVR übertragen kann<ref>z. B. [[Pony-Prog_Tutorial|Ponyprog]], yapp, AVRStudio</ref>, kann natürlich ebenfalls genutzt werden.

Startet man nun den Controller (Reset-Taster oder Stromzufuhr aus/an), werden vom Programm die Anschlüsse PB0 und PB1 auf 1 gesetzt. Man kann mit einem Messgerät nun an diesem Anschluss die Betriebsspannung messen oder eine [[LED]] leuchten lassen (Anode an den Pin, Vorwiderstand nicht vergessen). An den Anschlüssen PB2-PB7 misst man 0 Volt. Eine mit der Anode mit einem dieser Anschlüsse verbundene LED leuchtet nicht.

= Ganzzahlige (Integer) Datentypen =

Bei der Programmierung von Mikrokontrollern ist die Definition einiger ganzzahliger Datentypen sinnvoll, an denen eindeutig die Bit-Länge abgelesen werden kann.

Standardisierte Datentypen werden in der Header-Datei <code>stdint.h</code> definiert, die folgendermaßen eingebunden werden kann:
<c>#include <stdint.h></c>

{| {{Tabelle}}
|+ '''int-Typen aus <code>stdint.h</code> (C99)'''  
|- bgcolor="#d0d0ff"
!colspan="5"| Vorzeichenbehaftete int-Typen
|- bgcolor="#e8e8ff"
! Typname || Bit-Breite ||colspan="2"| Wertebereich
|align="center| '''C-Entsprechung''' (avr-gcc)
|-
|<code>int8_t</code> ||align="right"| 8 || −128 ⋯ 127 || −27 ⋯ 27−1 || <code>signed char</code>
|-
|<code>int16_t</code> ||align="right"| 16 || −32768 ⋯ 32767 || −215 ⋯ 215−1 || <code>signed short</code>, <code>signed int</code>
|-
|<code>int32_t</code> ||align="right"| 32 || −2147483648 ⋯ 2147483647 || −231 ⋯ 231−1 || <code>signed long</code>
|-
|<code>int64_t</code> ||align="right"| 64 || −9223372036854775808 ⋯ 9223372036854775807 || −263 ⋯ 263−1 || <code>signed long long</code>
|- bgcolor="#d0d0ff"
!colspan="5"| Vorzeichenlose int-Typen
|- bgcolor="#e8e8ff"
! Typname || Bit-Breite ||colspan="2"| Wertebereich
|align="center| '''C-Entsprechung''' (avr-gcc)
|-
|<code>uint8_t</code> ||align="right"| 8 || 0 ⋯ 255 || 0 ⋯ 28−1 || <code>unsigned char</code>
|-
|<code>uint16_t</code> ||align="right"| 16 || 0 ⋯ 65535 || 0 ⋯ 216−1 || <code>unsigned short</code>, <code>unsigned int</code>
|-
|<code>uint32_t</code> ||align="right"| 32 || 0 ⋯ 4294967295 || 0 ⋯ 232−1 || <code>unsigned long</code>
|-
|<code>uint64_t</code> ||align="right"| 64 || 0 ⋯ 18446744073709551615 || 0 ⋯ 264−1 || <code>unsigned long long</code>
|}

Neben den Typen gibt es auch Makros für die Bereichsgrenzen wie <code>INT8_MIN</code> oder <code>UINT16_MAX</code>. Siehe dazu auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__avr__stdint.html Dokumentation der avr-libc: Standard Integer Types].

= Bitfelder =

Beim Programmieren von Mikrocontrollern muss auf jedes Byte oder sogar auf
jedes Bit geachtet werden. Oft müssen wir in einer Variablen lediglich den
Zustand 0 oder 1 speichern. Wenn wir nun zur Speicherung eines einzelnen Wertes
den kleinsten bekannten Datentypen, nämlich '''unsigned char''', nehmen, dann
verschwenden wir 7 Bits, da ein '''unsigned char''' ja 8 Bits breit ist.

Hier bietet uns die Programmiersprache C ein mächtiges Werkzeug an, mit dessen
Hilfe wir 8 Bits in eine einzelne Bytevariable zusammenfassen und (fast) wie
8 einzelne Variablen ansprechen können. Die Rede ist von sogenannten Bitfeldern. Diese werden als Strukturelemente definiert. Sehen wir uns dazu doch am besten gleich ein Beispiel an:

<c>
struct {
unsigned bStatus_1:1; // 1 Bit für bStatus_1
unsigned bStatus_2:1; // 1 Bit für bStatus_2
unsigned bNochNBit:1; // Und hier noch mal ein Bit
unsigned b2Bits:2; // Dieses Feld ist 2 Bits breit
// All das hat in einer einzigen Byte-Variable Platz.
// die 3 verbleibenden Bits bleiben ungenutzt
} x;
</c>

Der Zugriff auf ein solches Feld erfolgt nun, wie beim Strukturzugriff bekannt,
über den Punkt- oder den Dereferenzierungs-Operator:

<c>
x.bStatus_1 = 1;
x.bStatus_2 = 0;
x.b2Bits = 3;
</c>

Bitfelder sparen Platz im RAM, zu Lasten von Platz im Flash, verschlechtern aber unter Umständen die Les- und Wartbarkeit des Codes. Anfängern wird deshalb geraten, ein "ganzes" Byte (uint8_t) zu nutzen, auch wenn nur ein Bitwert gespeichert werden soll.

= Grundsätzlicher Programmaufbau eines µC-Programms =

Wir unterscheiden zwischen 2 verschiedenen Methoden, um ein
Mikrocontroller-Programm zu schreiben, und zwar völlig unabhängig davon, in
welcher Programmiersprache das Programm geschrieben wird.

== Sequentieller Programmablauf ==

[[Image:Sequentielle Programme.gif|left]]
Bei dieser Programmiertechnik wird eine Endlosschleife programmiert, welche im
Wesentlichen immer den gleichen Aufbau hat. Es wird hier nach dem sogenannten EVA-Prinzip gehandelt. EVA steht für "Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe":
{{Absatz}}

== Interruptgesteuerter Programmablauf ==

[[Image:Interrupt Programme.gif|left]]
Bei dieser Methode werden beim Programmstart zuerst die gewünschten Interruptquellen aktiviert und dann in eine Endlosschleife gegangen, in welcher Dinge erledigt werden können, welche nicht zeitkritisch sind. Wenn ein Interrupt ausgelöst wird, so wird automatisch die zugeordnete Interruptfunktion ausgeführt.
{{Absatz}}

= Zugriff auf Register =

Die AVR-Controller verfügen über eine Vielzahl von Registern. Die meisten
davon sind sogenannte Schreib-/Leseregister. Das heißt, das Programm kann die
Inhalte der Register sowohl auslesen als auch beschreiben.

Register haben einen besonderen Stellenwert bei den AVR Controllern. Sie dienen dem Zugriff auf die Ports und die Schnittstellen des Controllers. Wir unterscheiden zwischen 8-Bit und 16-Bit Registern. Vorerst behandeln wir die 8-Bit Register.

Einzelne Register sind bei allen AVRs vorhanden, andere wiederum nur bei bestimmten Typen. So sind beispielsweise die Register, welche für den Zugriff auf den UART notwendig sind, selbstverständlich nur bei denjenigen Modellen vorhanden, welche über einen integrierten Hardware UART bzw. USART verfügen.

Die Namen der Register sind in den Headerdateien zu den entsprechenden AVR-Typen definiert. Dazu muss man den Namen der controllerspezifischen Headerdatei nicht kennen. Es reicht aus, die allgemeine Headerdatei ''avr/io.h'' einzubinden:

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

Ist im Makefile der MCU-Typ z. B. mit dem Inhalt atmega8 definiert (und wird somit per -mmcu=atmega8 an den Compiler übergeben), wird beim Einlesen der io.h-Datei implizit ("automatisch") auch die iom8.h-Datei mit den Register-Definitionen für den ATmega8 eingelesen.


Intern wird diese "Automatik" wie folgt realisiert: Der Controllertyp wird dem Compiler als Parameter übergeben (vgl. ''avr-gcc -c -mmcu=atmega16 [...]'' im Einführungsbeispiel). Wird ein Makefile nach der WinAVR/mfile-Vorlage verwendet, setzt man die Variable ''MCU'', der Inhalt dieser Variable wird dann an passender Stelle für die Compilerparameter verwendet. Der Compiler definiert intern eine dem mmcu-Parameter zugeordnete "Variable" (genauer: ein Makro) mit dem Namen des Controllers, vorangestelltem ''__AVR_'' und angehängten Unterstrichen (z. B. wird bei ''-mmcu=atmega16'' das Makro ''__AVR_ATmega16__'' definiert). Beim Einbinden der Header-Datei ''avr/io.h'' wird geprüft, ob das jeweilige Makro definiert ist und die zum Controller passende Definitionsdatei eingelesen. Zur Veranschaulichung einige Ausschnitte aus einem Makefile:

<pre>
[...]
# MCU Type ("name") setzen:
MCU = atmega16
[...]

[...]
## Verwendung des Inhalts von MCU (hier atmega16) fuer die
## Compiler- und Assembler-Parameter
ALL_CFLAGS = -mmcu=$(MCU) -I. $(CFLAGS) $(GENDEPFLAGS)
ALL_CPPFLAGS = -mmcu=$(MCU) -I. -x c++ $(CPPFLAGS) $(GENDEPFLAGS)
ALL_ASFLAGS = -mmcu=$(MCU) -I. -x assembler-with-cpp $(ASFLAGS)
[...]

[...]
## Aufruf des Compilers:
## mit den Parametern ($(ALL_CFLAGS) ist -mmcu=$(MCU)[...] = -mmcu=atmega16[...]
$(OBJDIR)/%.o : %.c
@echo
@echo $(MSG_COMPILING) $<
$(CC) -c $(ALL_CFLAGS) $< -o $@
[...]
</pre>

Da --mmcu=atmega16 übergeben wurde, wird __AVR_ATmega16__ definiert und kann in avr/io.h zur Fallunterscheidung genutzt werden:

<c>
// avr/io.h
// (bei WinAVR-Standardinstallation in C:\WinAVR\avr\include\avr)
[...]
#if defined (__AVR_AT94K__)
# include <avr/ioat94k.h>
// [...]
#elif defined (__AVR_ATmega16__)
// da __AVR_ATmega16__ definiert ist, wird avr/iom16.h eingebunden:
# include <avr/iom16.h>
// [...]
#else
# if !defined(__COMPILING_AVR_LIBC__)
# warning "device type not defined"
# endif
#endif
</c>

Die Beispiele in den folgenden Abschnitten demonstrieren den Zugriff auf Register anhand der Register für I/O-Ports (PORTx, DDRx, PINx), die Vorgehensweise ist jedoch für alle Register (z. B. die des UART, ADC, SPI) analog.

== Schreiben in Register ==

Zum Schreiben kann man Register einfach wie eine Variable setzen.<ref>In Quellcodes, die für ältere Versionen des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, erfolgt der Schreibzugriff über die Funktion outp(). Aktuelle Versionen des Compilers unterstützen den Zugriff nun direkt, outp() ist nicht mehr erforderlich.</ref>

Beispiel:

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

int main()
{
/* Setzt das Richtungsregister des Ports A auf 0xff
(alle Pins als Ausgang, vgl. Abschnitt Zugriff auf Ports): */
DDRA = 0xff;

/* Setzt PortA auf 0x03, Bit 0 und 1 "high", restliche "low": */
PORTA = 0x03;

// Setzen der Bits 0,1,2,3 und 4
// Binär 00011111 = Hexadezimal 1F
DDRB = 0x1F; /* direkte Zuweisung - unübersichtlich */

/* Ausführliche Schreibweise: identische Funktionalität, mehr Tipparbeit
aber übersichtlicher und selbsterklärend: */
DDRB = (1 << DDB0) | (1 << DDB1) | (1 << DDB2) | (1 << DDB3) | (1 << DDB4);

while (1);
}
</c>

Die ausführliche Schreibweise sollte bevorzugt verwendet werden, da dadurch die Zuweisungen selbsterklärend sind und somit der Code leichter nachvollzogen werden kann. Atmel verwendet sie auch bei Beispielen in Datenblätten und in den allermeisten Quellcodes zu Application-Notes. Mehr zu der Schreibweise mit "|" und "<<" findet man unter [[Bitmanipulation]].

Der gcc C-Compiler unterstützt ab Version 4.3.0 Konstanten im Binärformat, z. B. DDRB = 0b00011111. Diese Schreibweise ist jedoch nur in GNU-C verfügbar und nicht in ISO-C definiert. Man sollte sie daher nicht verwenden, wenn Code mit anderen ausgetauscht oder mit anderen Compilern bzw. älteren Versionen des gcc genutzt werden soll.

== Verändern von Registerinhalten ==

Einzelne Bits setzt und löscht man "Standard-C-konform" mittels logischer (Bit-) Operationen.

<c>
x |= (1 << Bitnummer); // Hiermit wird ein Bit in x gesetzt
x &= ~(1 << Bitnummer); // Hiermit wird ein Bit in x geloescht
</c>

Es wird jeweils nur der Zustand des angegebenen Bits geändert, der vorherige Zustand der anderen Bits bleibt erhalten.

Beispiel:
<c>
#include <avr/io.h>
...
#define MEINBIT 2
...
PORTA |= (1 << MEINBIT); /* setzt Bit 2 an PortA auf 1 */
PORTA &= ~(1 << MEINBIT); /* loescht Bit 2 an PortA */
</c>

Mit dieser Methode lassen sich auch mehrere Bits eines Registers gleichzeitig setzen und löschen.

Beispiel:
<c>
#include <avr/io.h>
...
DDRA &= ~( (1<<PA0) | (1<<PA3) ); /* PA0 und PA3 als Eingaenge */
PORTA |= (1<<PA0) | (1<<PA3); /* Interne Pull-Up fuer beide einschalten */
</c>

In Quellcodes, die für ältere Version den des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, werden einzelne Bits mittels der Funktionen sbi und cbi gesetzt bzw. gelöscht. Beide Funktionen sind nicht mehr erforderlich.

Siehe auch:
* [[Bitmanipulation]]
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Special Function Registers

== Lesen aus Registern ==

Zum Lesen kann man auf Register einfach wie auf eine Variable zugreifen. In Quellcodes, die für ältere Versionen des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, erfolgt der Lesezugriff über die Funktion inp(). Aktuelle Versionen des Compilers unterstützen den Zugriff nun direkt und inp() ist nicht mehr erforderlich.

Beispiel:

<c>
#include <avr/io.h>
#include <stdint.h>

uint8_t foo;

//...

int main(void)
{
/* kopiert den Status der Eingabepins an PortB
in die Variable foo: */
foo = PINB;
//...
}
</c>

Die Abfrage der Zustände von Bits erfolgt durch Einlesen des gesamten Registerinhalts und ausblenden der Bits deren Zustand nicht von Interesse ist. Einige Beispiele zum Prüfen ob Bits gesetzt oder gelöscht sind:

<c>
#define MEINBIT0 0
#define MEINBIT2 2

uint8_t i;

extern test1();

// Funkion test1 aufrufen, wenn Bit 0 in Register PINA gesetzt (1) ist
i = PINA; // Inhalt in Arbeitsvariable
i = i & 0x01; // alle Bits bis auf Bit 0 ausblenden (logisches und)
// falls das Bit gesetzt war, hat i den Inhalt 1
if ( i != 0 ) { // Ergebnis ungleich 0 (wahr)?
test1(); // dann muss Bit 0 in i gesetzt sein -> Funktion aufrufen
}
// verkürzt:
if ( ( PINA & 0x01 ) != 0 ) {
test1();
}
// nochmals verkürzt:
if ( PINA & 0x01 ) {
test1();
}
// mit definierter Bitnummer:
if ( PINA & ( 1 << MEINBIT0 ) ) {
test1();
}

// Funktion aufrufen, wenn Bit 0 und/oder Bit 2 gesetzt ist. (Bit 0 und 2 also Wert 5)
// (Bedenke: Bit 0 hat Wert 1, Bit 1 hat Wert 2 und Bit 2 hat Wert 4)
if ( PINA & 0x05 ) {
test1(); // Vergleich <> 0 (wahr), also mindestens eines der Bits gesetzt
}
// mit definierten Bitnummern:
if ( PINA & ( ( 1 << MEINBIT0 ) | ( 1 << MEINBIT2 ) ) ) {
test1();
}

// Funktion aufrufen, wenn Bit 0 und Bit 2 gesetzt sind
if ( ( PINA & 0x05 ) == 0x05 ) { // nur wahr, wenn beide Bits gesetzt
test1();
}

// Funktion test2() aufrufen, wenn Bit 0 gelöscht (0) ist
i = PINA; // einlesen in temporäre Variable
i = i & 0x01; // maskieren von Bit 0
if ( i == 0 ) { // Vergleich ist wahr, wenn Bit 0 nicht gesetzt ist
test2();
}
// analog mit not-Operator
if ( !i ) {
test2();
}
// nochmals verkürzt:
if ( !( PINA & 0x01 ) ) {
test2();
}
</c>

== Warten auf einen bestimmten Zustand ==

Es gibt in der Bibliothek avr-libc Funktionen, die warten, bis ein bestimmter Zustand eines Bits erreicht ist. Es ist allerdings normalerweise eine eher unschöne Programmiertechnik, da in diesen Funktionen "blockierend" gewartet wird. Der Programmablauf bleibt also an dieser Stelle stehen, bis das maskierte Ereignis erfolgt ist. Setzt man den [[Watchdog]] ein, muss man darauf achten, dass dieser auch noch getriggert wird (Zurücksetzen des Watchdogtimers).

Die Funktion '''loop_until_bit_is_set''' wartet in einer Schleife, bis das definierte Bit gesetzt ist. Wenn das Bit beim Aufruf der Funktion bereits gesetzt ist, wird die Funktion sofort wieder verlassen. Das niederwertigste Bit hat die Bitnummer 0.

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

/* Warten bis Bit Nr. 2 (das dritte Bit) in Register PINA gesetzt (1) ist */

#define WARTEPIN PINA
#define WARTEBIT PA2

// mit der avr-libc Funktion:
loop_until_bit_is_set(WARTEPIN, WARTEBIT);

// dito in "C-Standard":
// Durchlaufe die (leere) Schleife solange das WARTEBIT in Register WARTEPIN
// _nicht_ ungleich 0 (also 0) ist.
while ( !(WARTEPIN & (1 << WARTEBIT)) ) {}
...
</c>

Die Funktion '''loop_until_bit_is_clear''' wartet in einer Schleife, bis das definierte Bit gelöscht ist. Wenn das Bit beim Aufruf der Funktion bereits gelöscht ist, wird die Funktion sofort wieder verlassen.

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

/* Warten bis Bit Nr. 4 (das fuenfte Bit) in Register PINB geloescht (0) ist */
#define WARTEPIN PINB
#define WARTEBIT PB4

// avr-libc-Funktion:
loop_until_bit_is_clear(WARTEPIN, WARTEBIT);

// dito in "C-Standard":
// Durchlaufe die (leere) Schleife solange das WARTEBIT in Register WARTEPIN
// gesetzt (1) ist
while ( WARTEPIN & (1<<WARTEBIT) ) {}
...
</c>

Universeller und auch auf andere Plattformen besser übertragbar ist die Verwendung von C-Standardoperationen.

Siehe auch:
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Special Function Registers
* [[Bitmanipulation]]

== 16-Bit Register (ADC, ICR1, OCR1x, TCNT1, UBRR) ==

Einige der Portregister in den AVR-Controllern sind 16 Bit breit. Im Datenblatt sind diese Register üblicherweise mit dem Suffix "L" (Low-Byte) und "H" (High-Byte) versehen. Die avr-libc definiert zusätzlich die meisten dieser Variablen die Bezeichnung ohne "L" oder "H". Auf diese Register kann dann direkt zugegriffen werden. Die ist zum Beispiel der Fall für Register wie ADC oder TCNT1.
<c>
#include <avr/io.h>
...
uint16_t foo;

/* setzt die Wort-Variable foo auf den Wert der letzten AD-Wandlung */
foo = ADC;
</c>

Bei anderen Registern, wie zum Beispiel Baudraten-Register, liegen High- und Low-Teil nicht direkt nebeneinander im SFR-Bereich, so dass ein 16-Bit Zugriff nicht möglich ist und der Zugriff zusammengebastelt werden muss:

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

#ifndef F_CPU
#define F_CPU 3686400
#endif
#define UART_BAUD_RATE 9600

...
uint16_t baud = F_CPU / (UART_BAUD_RATE * 16L) -1;

UBRRH = (uint8_t) (baud >> 8);
UBRRL = (uint8_t) baud;
...
</c>

Bei einigen AVR-Typen wie ATmega8 oder ATmega16 teilen sich UBRRH und UCSRC die gleiche Speicher-Adresse. Damit der AVR trotzdem zwischen den beiden Registern unterscheiden kann, bestimmt das Bit7 (URSEL), welches Register tatsächlich beschrieben werden soll. ''1000 0011'' (0x83) adressiert demnach UCSRC und übergibt den Wert ''3'' und ''0000 0011'' (0x3) adressiert UBRRH und übergibt ebenfalls den Wert ''3''.

Speziell bei den 16-Bit-Timern und auch beim ADC ist es bei allen Zugriffen auf Datenregister erforderlich, dass diese Daten synchronisiert sind. Wenn z. B. bei einem 16-Bit-Timer das High-Byte des Zählregisters gelesen wurde und vor dem Lesezugriff auf das Low-Byte ein Überlauf des Low-Bytes stattfindet, erhält man einen völlig unsinnigen Wert. Auch die Compare-Register müssen synchron geschrieben werden, da es ansonsten zu unerwünschten Compare-Ereignissen kommen kann.

Beim ADC besteht das Problem darin, dass zwischen den Zugriffen auf die beiden Teilregister eine Wandlung beendet werden kann und der ADC ein neues Ergebnis in ADCL und ADCH schreiben will, wodurch High- und Low-Byte nicht zusammenpassen.

Um diese Datenmüllproduktion zu verhindern, gibt es in beiden Fällen eine Synchronisation, die jeweils durch den Zugriff auf das Low-Byte ausgelöst wird:
* Bei den Timer-Registern (das gilt für alle TCNT-, OCR- und ICR-Register bei den 16-Bit-Timern) wird bei einem ''Lesezugriff'' auf das Low-Byte automatisch das High-Byte in ein temporäres Register, das ansonsten nach außen nicht sichtbar ist, geschoben. Greift man nun ''anschließend'' auf das High-Byte zu, dann wird eben dieses temporäre Register gelesen.
* Bei einem ''Schreibzugriff'' auf eines der genannten Register wird das High-Byte in besagtem temporären Register zwischengespeichert und erst beim Schreiben des Low-Bytes werden ''beide'' gleichzeitig in das eigentliche Register übernommen.

Das bedeutet für die Reihenfolge:
* Lesezugriff: Erst Low-Byte, dann High-Byte
* Schreibzugriff: Erst High-Byte, dann Low-Byte

Des weiteren ist zu beachten, dass es für all diese 16-Bit-Register nur ein einziges temporäres Register gibt, so dass das Auftreten eines Interrupts, in dessen Handler ein solches Register manipuliert wird, bei einem durch ihn unterbrochenen Zugriff i.d.R. zu Datenmüll führt. 16-Bit-Zugriffe sind generell nicht atomar! Wenn mit Interrupts gearbeitet wird, kann es erforderlich sein, vor einem solchen Zugriff auf ein 16-Bit-Register die Interrupt-Bearbeitung zu deaktivieren.

Beim ADC-Datenregister ADCH/ADCL ist die Synchronisierung anders gelöst. Hier wird beim Lesezugriff (ADCH/ADCL sind logischerweise read-only) auf das Low-Byte ADCL beide Teilregister für Zugriffe seitens des ADC so lange gesperrt, bis das High-Byte ADCH ausgelesen wurde. Dadurch kann der ADC nach einem Zugriff auf ADCL keinen neuen Wert in ADCH/ADCL ablegen, bis ADCH gelesen wurde. Ergebnisse von Wandlungen, die zwischen einem Zugriff auf ADCL und ADCH beendet werden, gehen verloren!

Nach einem Zugriff auf ADCL muss grundsätzlich ADCH gelesen werden!

In beiden Fällen – also sowohl bei den Timern als auch beim ADC – werden vom C-Compiler 16-Bit Pseudo-Register zur Verfügung gestellt (z. B. TCNT1H/TCNT1L → TCNT1, ADCH/ADCL → ADC bzw. ADCW), bei deren Verwendung der Compiler automatisch die richtige Zugriffsreihenfolge regelt. In C-Programmen sollten grundsätzlich diese 16-Bit-Register verwendet werden! Sollte trotzdem ein Zugriff auf ein Teilregister erforderlich sein, sind obige Angaben zu berücksichtigen.

Es ist darauf zu achten, dass auch ein Zugriff auf die 16-Bit-Register vom Compiler in zwei 8-Bit-Zugriffe aufgeteilt wird und dementsprechend genauso nicht-atomar ist wie die Einzelzugriffe. Auch hier gilt, dass u.U. die Interrupt-Bearbeitung gesperrt werden muss, um Datenmüll zu vermeiden.

Beim ADC gibt es für den Fall, dass eine Auflösung von 8 Bit ausreicht, die Möglichkeit, das Ergebnis "linksbündig" in ADCH/ADCL auszurichten, so dass die relevanten 8 MSB in ADCH stehen. In diesem Fall muss bzw. sollte nur ADCH ausgelesen werden.

ADC und ADCW sind unterschiedliche Bezeichner für das selbe Registerpaar. Üblicherweise kann man in C-Programmen ADC verwenden, was analog zu den anderen 16-Bit-Registern benannt ist. ADCW (ADC Word) existiert nur deshalb, weil die Headerdateien auch für Assembler vorgesehen sind und es bereits einen Assembler-Befehl namens ''adc'' gibt.

Im Umgang mit 16-Bit Registern siehe auch:
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Related Pages/Frequently Asked Questions/Nr. 8
* Datenblatt Abschnitt ''Accessing 16-bit Registers''

== IO-Register als Parameter und Variablen ==

Um Register als Parameter für eigene Funktionen übergeben zu können, muss man sie als einen volatile uint8_t Pointer übergeben. Zum Beispiel:

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

uint8_t key_pressed (volatile uint8_t *inputreg, uint8_t inputbit)
{
static uint8_t last_state = 0;

if (last_state == (*inputreg & (1<<inputbit)))
return 0; /* keine Änderung */

/* Wenn doch, warten bis etwaiges Prellen vorbei ist: */
_delay_ms(20);

/* Zustand für nächsten Aufruf merken: */
last_state = *inputreg & (1<<inputbit);

/* und den entprellten Tastendruck zurückgeben: */
return *inputreg & (1<<inputbit);
}

/* Beispiel für einen Funktionsaufruf: */

void foo (void)
{
uint8_t i = key_pressed (&PINB, PB1);
}
</c>

Ein Aufruf der Funktion mit call by value würde Folgendes bewirken: Beim Funktionseintritt wird nur eine Kopie des momentanen Portzustandes angefertigt, die sich unabhängig vom tatsächlichen Zustand das Ports nicht mehr ändert, womit die Funktion wirkungslos wäre. Die Übergabe eines Zeigers wäre die Lösung, wenn der Compiler nicht optimieren würde. Denn dadurch wird im Programm nicht von der Hardware gelesen, sondern wieder nur von einem Abbild im Speicher. Das Ergebnis wäre das gleiche wie oben. Mit dem Schlüsselwort volatile sagt man nun dem Compiler, dass die entsprechende Variable entweder durch andere Softwareroutinen (Interrupts) oder durch die Hardware verändert werden kann.

= Zugriff auf IO-Ports =

Jeder AVR implementiert eine unterschiedliche Menge an GPIO-Registern
(GPIO - General Purpose Input/Output). Diese Register dienen dazu:
* einzustellen welche der Anschlüsse ("Beinchen") des Controllers als Ein- oder Ausgänge dienen
* bei Ausgängen deren Zustand festzulegen
* bei Eingängen deren Zustand zu erfassen

Mittels GPIO werden digitale Zustände gesetzt und erfasst, d.h. die Spannung an einem Ausgang wird ein- oder ausgeschaltet und an einem Eingang wird erfasst, ob die anliegende Spannung über oder unter einem bestimmten Schwellwert liegt. Im Datenblatt Abschnitt Electrical Characteristics/DC Characteristics finden sich die Spannungswerte (V_OL, V_OH für Ausgänge, V_IL, V_IH für Eingänge).

Die Verarbeitung von analogen Eingangswerten und die Ausgabe von Analogwerten wird in Kapitel [[AVR-GCC-Tutorial#Analoge_Ein-_und_Ausgabe|Analoge Ein- und Ausgabe]] behandelt.

Alle Ports der AVR-Controller werden über Register gesteuert. Dazu sind jedem Port 3 Register zugeordnet:

{| class="wikitable"
|-
! DDRx
| Datenrichtungsregister für Port'''x'''.
'''x''' entspricht '''A''', '''B''', ''' C''', '''D''' usw. (abhängig von der Anzahl der Ports des verwendeten AVR). Bit im Register gesetzt (1) für Ausgang, Bit gelöscht (0) für Eingang.
|-
! PINx
| Eingangsadresse für Port'''x'''.
Zustand des Ports. Die Bits in PINx entsprechen dem Zustand der als Eingang definierten Portpins. Bit 1 wenn Pin "high", Bit 0 wenn Portpin low.
|-
! PORTx
| Datenregister für Port'''x'''.
Dieses Register wird verwendet, um die Ausgänge eines Ports anzusteuern. Bei Pins, die mittels DDRx auf Eingang geschaltet wurden, können über PORTx
die internen Pull-Up Widerstände aktiviert oder deaktiviert werden (1 = aktiv).
|}

Die folgenden Beispiele gehen von einem AVR aus, der sowohl Port A als auch Port B besitzt. Sie müssen für andere AVRs (zum Beispiel ATmega8/48/88/168) entsprechend angepasst werden.

== Datenrichtung bestimmen ==

Zuerst muss die Datenrichtung der verwendeten Pins bestimmt werden. Um dies zu erreichen, wird das Datenrichtungsregister des entsprechenden Ports beschrieben.

Für jeden Pin, der als Ausgang verwendet werden soll, muss dabei das
entsprechende Bit auf dem Port gesetzt werden. Soll der Pin als Eingang
verwendet werden, muss das entsprechende Bit gelöscht sein.

Beispiel:
Angenommen am Port B sollen die Pins 0 bis 4 als Ausgänge definiert werden, die noch verbleibenden Pins 5 bis 7 sollen als Eingänge fungieren. Dazu ist es daher notwendig, im für das Port B zuständigen Datenrichtungsregister DDRB folgende Bitkonfiguration einzutragen

+---+---+---+---+---+---+---+---+
| 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
+---+---+---+---+---+---+---+---+
7 6 5 4 3 2 1 0

In C liest sich das dann so:

<c>
// in io.h wird u.a. DDRB definiert:
#include <avr/io.h>

int main()
{
// Setzen der Bits 0,1,2,3 und 4
// Binär 00011111 = Hexadezimal 1F
// direkte Zuweisung - standardkonform */
DDRB = 0x1F; /*

// übersichtliche Alternative - Binärschreibweise, aber kein ISO-C
DDRB = 0b00011111;

// Ausführliche Schreibweise: identische Funktionalität, mehr Tipparbeit
// aber übersichtlicher und selbsterklärend:
DDRB = (1 << DDB0) | (1 << DDB1) | (1 << DDB2) | (1 << DDB3) | (1 << DDB4);
</c>

Die Pins 5 bis 7 werden (da 0) als Eingänge geschaltet. Weitere Beispiele:

<c>
// Alle Pins des Ports B als Ausgang definieren:
DDRB = 0xff;
// Pin0 wieder auf Eingang und andere im ursprünglichen Zustand belassen:
DDRB &= ~(1 << DDB0);
// Pin 3 und 4 auf Eingang und andere im ursprünglichen Zustand belassen:
DDRB &= ~((1 << DDB3) | (1 << DDB4));
// Pin 0 und 3 wieder auf Ausgang und andere im ursprünglichen Zustand belassen:
DDRB |= (1 << DDB0) | (1 << DDB3);
// Alle Pins auf Eingang:
DDRB = 0x00;
</c>

== Vordefinierte Bitnummern für I/O-Register ==

Die Bitnummern (z. B. PCx, PINCx und DDCx für den Port C) sind in den io*.h-Dateien der avr-libc definiert und dienen lediglich der besseren Lesbarkeit. Man muss diese Definitionen nicht verwenden oder kann auch einfach "immer" PAx, PBx, PCx usw. nutzen, auch wenn der Zugriff auf Bits in DDRx- oder PINx-Registern erfolgt. Für den Compiler sind die Ausdrücke (1<<PC7), (1<<DDC7) und (1<<PINC7) identisch zu (1<<7) (genauer: der Präprozessor ersetzt die Ausdrücke (1<<PC7),... zu (1<<7)). Ein Ausschnitt der Definitionen für Port C eines ATmega32 aus der iom32.h-Datei zur Verdeutlichung (analog für die weiteren Ports):

<c>
...
/* PORTC */
#define PC7 7
#define PC6 6
#define PC5 5
#define PC4 4
#define PC3 3
#define PC2 2
#define PC1 1
#define PC0 0

/* DDRC */
#define DDC7 7
#define DDC6 6
#define DDC5 5
#define DDC4 4
#define DDC3 3
#define DDC2 2
#define DDC1 1
#define DDC0 0

/* PINC */
#define PINC7 7
#define PINC6 6
#define PINC5 5
#define PINC4 4
#define PINC3 3
#define PINC2 2
#define PINC1 1
#define PINC0 0
</c>

== Digitale Signale ==

Am einfachsten ist es, digitale Signale mit dem Mikrocontroller zu erfassen bzw. auszugeben.

== Ausgänge ==
Will man als Ausgang definierte Pins (entsprechende DDRx-Bits = 1) auf Logisch 1 setzen, setzt man die entsprechenden Bits im Portregister.

Mit dem Befehl
<c>
#include <avr/io.h>
...
PORTB = 0x04; /* besser PORTB=(1<<PB2) */

// übersichtliche Alternative - Binärschreibweise
PORTB = 0b00000100; /* direkte Zuweisung - übersichtlich */

</c>
wird also der Ausgang an Pin PB2 gesetzt (Beachte, dass die Bits immer ''von 0 an'' gezählt werden, das niederwertigste Bit ist also Bitnummer 0 und nicht etwa Bitnummer 1).

Man beachte, dass bei der Zuweisung mittels '''=''' immer alle Pins gleichzeitig angegeben werden. Man sollte also, wenn nur bestimmte Ausgänge geschaltet werden sollen, zuerst den aktuellen Wert des Ports einlesen und das Bit des gewünschten Ports in diesen Wert einfließen lassen. Will man also nur den dritten Pin (Bit Nr. 2) an Port B auf "high" setzen und den Status der anderen Ausgänge unverändert lassen, nutze man diese Form:

<c>
#include <avr/io.h>
...
PORTB = PORTB | 0x04; /* besser: PORTB = PORTB | ( 1<<PB2 ) */
/* vereinfacht durch Nutzung des |= Operators : */
PORTB |= (1<<PB2);

/* auch mehrere "gleichzeitig": */
PORTB |= (1<<PB4) | (1<<PB5); /* Pins PB4 und PB5 "high" */
</c>

"Ausschalten", also Ausgänge auf "low" setzen, erfolgt analog:

<c>
#include <avr/io.h>
...
PORTB &= ~(1<<PB2); /* löscht Bit 2 in PORTB und setzt damit Pin PB2 auf low */
PORTB &= ~( (1<<PB4) | (1<<PB5) ); /* Pin PB4 und Pin PB5 "low" */
</c>
Siehe auch [[Bitmanipulation]]

In Quellcodes, die für ältere Version den des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, werden einzelne Bits mittels der Funktionen sbi und cbi gesetzt bzw. gelöscht. Beide Funktionen sind in aktuellen Versionen der avr-libc nicht mehr enthalten und auch nicht mehr erforderlich.

''Falls der Anfangszustand von Ausgängen kritisch ist, muss die Reihenfolge beachtet werden, mit der die Datenrichtung (DDRx) eingestellt und der Ausgabewert (PORTx) gesetzt wird:''

Für Ausgangspins, die mit Anfangswert "high" initialisiert werden sollen:
* zuerst die Bits im PORTx-Register setzen
* anschließend die Datenrichtung auf Ausgang stellen

Daraus ergibt sich die Abfolge für einen Pin, der bisher als Eingang mit abgeschaltetem Pull-Up konfiguriert war:
* setze PORTx: interner Pull-Up aktiv
* setze DDRx: Ausgang ("high")

Bei der Reihenfolge erst DDRx und dann PORTx kann es zu einem kurzen "low-Puls" kommen, der auch externe Pull-Up-Widerstände "überstimmt". Die (ungünstige) Abfolge: Eingang -> setze DDRx: Ausgang (auf "low", da PORTx nach Reset 0) -> setze PORTx: Ausgang auf high. Vergleiche dazu auch das Datenblatt Abschnitt ''Configuring the Pin''.

== Eingänge (Wie kommen Signale in den µC) ==

Die digitalen Eingangssignale können auf verschiedene Arten zu unserer Logik gelangen.

=== Signalkopplung ===

Am einfachsten ist es, wenn die Signale direkt aus einer anderen digitalen Schaltung übernommen werden können. Hat der Ausgang der entsprechenden Schaltung TTL-Pegel dann können wir sogar direkt den Ausgang der Schaltung mit einem Eingangspin von unserem Controller verbinden.

Hat der Ausgang der anderen Schaltung keinen TTL-Pegel so müssen wir den Pegel über entsprechende Hardware (z. B. Optokoppler, [[Widerstand#Spannungsteiler|Spannungsteiler]], "Levelshifter" aka [[Pegelwandler]]) anpassen.

Die Masse der beiden Schaltungen muss selbstverständlich miteinander verbunden werden. Der Software selber ist es natürlich letztendlich egal, wie das Signal eingespeist wird. Wir können ja ohnehin lediglich prüfen, ob an einem Pin unseres Controllers eine logische 1 (Spannung größer ca. 0,7*Vcc) oder eine logische 0 (Spannung kleiner ca. 0,2*Vcc) anliegt. Detaillierte Informationen darüber, ab welcher Spannung ein Eingang als 0 ("low") bzw. 1 ("high") erkannt wird, liefert die Tabelle DC Characteristics im Datenblatt des genutzten Controllers.

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''Spannungstabelle''' (ca. Grenzwerte)
|
! Low || High
|-
! bei 5 V
| 1 V || 3,5 V
|-
! bei 3,3 V
| 0,66 V || 2,31 V
|-
! bei 1,8 V
| 0,36 V || 1,26 V
|}

Die Abfrage der Zustände der Portpins erfolgt direkt über den Registernamen.

{{Warnung|Dabei ist wichtig, zur Abfrage der Eingänge ''nicht'' etwa Portregister '''PORTx''' zu verwenden, sondern Eingangsregister '''PINx'''. Ansonsten liest man nicht den Zustand der Eingänge, sondern den Status der internen Pull-Up-Widerstände. Die Abfrage der Pinzustände über PORTx statt PINx ist ein häufiger Fehler beim AVR-"Erstkontakt".}}

Will man also die aktuellen Signalzustände von Port D abfragen und in eine Variable namens bPortD abspeichern, schreibt man folgende Befehlszeilen:

<c>
#include <avr/io.h>
#include <stdint.h>
...
uint8_t bPortD;
...
bPortD = PIND;
...
</c>

Mit den C-Bitoperationen kann man den Status der Bits abfragen.

<c>
#include <avr/io.h>
...
/* Fuehre Aktion aus, wenn Bit Nr. 1 (das "zweite" Bit) in PINC gesetzt (1) ist */
if ( PINC & (1<<PINC1) ) {
/* Aktion */
}

/* Fuehre Aktion aus, wenn Bit Nr. 2 (das "dritte" Bit) in PINB geloescht (0) ist */
if ( !(PINB & (1<<PINB2)) ) {
/* Aktion */
}
...
</c>
Siehe auch [[Bitmanipulation#Bits_prüfen]]

=== Interne Pull-Up Widerstände ===

Portpins für Ein- und Ausgänge (GPIO) eines AVR verfügen über zuschaltbare interne Pull-Up Widerstände (nominal mehrere 10kOhm, z. B. ATmega16 20-50kOhm). Diese können in vielen Fällen statt externer Widerstände genutzt werden.

Die internen Pull-Up Widerstände von Vcc zu den einzelnen Portpins werden über das Register ''' PORTx''' aktiviert bzw. deaktiviert, wenn ein Pin als ''' Eingang''' geschaltet ist.

Wird der Wert des entsprechenden Portpins auf 1 gesetzt, so ist der Pull-Up Widerstand aktiviert. Bei einem Wert von 0 ist der Pull-Up Widerstand nicht aktiv. Man sollte jeweils entweder den internen oder einen externen Pull-Up Widerstand verwenden, aber nicht beide zusammen.

Im Beispiel werden alle Pins des Ports D als Eingänge geschaltet und alle Pull-Up Widerstände aktiviert. Weiterhin wird Pin PC7 als Eingang geschaltet und dessen interner Pull-Up Widerstand aktiviert, ohne die Einstellungen für die anderen Portpins (PC0-PC6) zu verändern.

<c>
#include <avr/io.h>
...
DDRD = 0x00; /* alle Pins von Port D als Eingang */
PORTD = 0xff; /* interne Pull-Ups an allen Port-Pins aktivieren */
...
DDRC &= ~(1<<PC7); /* Pin PC7 als Eingang */
PORTC |= (1<<PC7); /* internen Pull-Up an PC7 aktivieren */
</c>

=== Tasten und Schalter ===

Der Anschluss mechanischer Kontakte an den Mikrocontroller, ist zwischen zwei unterschiedliche Methoden zu unterscheiden: ''Active Low'' und ''Active High''.

<gallery widths="300" heights="300" caption="Anschluss mechanischer Kontakte an einen µC">
Image:Active Low.gif|'''Active Low:''' Bei dieser Methode wird der Kontakt zwischen den Eingangspin des Controllers und Masse geschaltet. Damit bei offenem Schalter der Controller kein undefiniertes Signal bekommt, wird zwischen die Versorgungsspannung und den Eingangspin ein sogenannter '''Pull-Up''' Widerstand geschaltet. Dieser dient dazu, den Pegel bei geöffnetem Schalter auf logisch 1 zu ziehen.
Image:Active High.gif|'''Active High:''' Hier wird der Kontakt zwischen die Versorgungsspannung und den Eingangspin geschaltet. Damit bei offener Schalterstellung kein undefiniertes Signal am Controller ansteht, wird zwischen den Eingangspin und die Masse ein '''Pull-Down''' Widerstand geschaltet. Dieser dient dazu, den Pegel bei geöffneter Schalterstellung auf logisch 0 zu halten.
</gallery>

Der Widerstandswert von Pull-Up- und Pull-Down-Widerständen ist an sich nicht kritisch. Wird er allerdings zu hoch gewählt, ist die Wirkung eventuell nicht gegeben. Als üblicher Wert haben sich 10 kOhm eingebürgert. Die AVRs verfügen an den meisten Pins über zuschaltbare interne Pull-Up Widerstände (vgl. Abschnitt [[AVR-GCC-Tutorial#Interne Pull-Up Widerstände|Interne Pull-Up Widerstände]]), welche insbesondere wie hier bei Tastern und ähnlichen Bauteilen (z. B. Drehgebern) statt externer Bauteile verwendet werden können. Interne Pull-Down-Widerstand sind nicht verfügbar und müssen daher in Form zusätzlicher Bauteile in die Schaltung eingefügt werden.

==== (Tasten-)Entprellung ====

Siehe: ''[[Entprellung#Warteschleifen-Verfahren|Entprellung: Warteschleifen-Verfahren]]

= Analoge Ein- und Ausgabe =

Analoge Eingangswerte werden in der Regel über den AVR Analog-Digital-Converter (AD-Wandler, ADC) eingelesen, der in vielen Typen verfügbar ist (typisch 10bit Auflösung). Durch diesen werden analoge Signale (Spannungen) in digitale Zahlenwerte gewandelt. Bei AVRs, die über keinen internen AD-Wandler verfügen (z. B. ATmega162), kann durch externe Beschaltung (R/C-Netzwerk und "Zeitmessung") die Funktion des AD-Wandlers "emuliert" werden.

Es gibt innerhalb der ATMega- und ATTiny-AVR Reihe keine Typen mit eingebautem Digital-Analog-Konverter (DAC) - diese Funktion ist erst ab der XMEGA-Reihe der AVR-Familie verfügbar, die aber wegen ihrer vielen Unterschiede im Umfang dieses Tutorials nicht behandelt wird.
Die Umsetzung zu einer analogen Spannung muss daher durch externe Komponenten vorgenommen werden. Das kann z. B. durch PWM und deren Filterung zu (fast) DC, oder einem sogenannten R2R-Netzwerk erfolgen.

Unabhängig davon besteht natürlich immer die Möglichkeit, spezielle Bausteine zur Analog-Digital- bzw. Digital-Analog-Wandlung zu nutzen und diese über eine digitale Schnittstelle (z.b. SPI oder I2C) mit einem AVR anzusteuern.

== AC (Analog Comparator) ==

Der Comparator vergleicht 2 Spannungen an den Pins AIN0 und AIN1 und gibt einen Status aus welche der beiden Spannungen größer ist. AIN0 Dient dabei als Referenzspannung (Sollwert) und AIN1 als Vergleichsspannung (Istwert). Als Referenzspannung kann auch alternativ eine interne Referenzspannung ausgewählt werden.

Liegt die Vergleichsspannung (IST) unter der der Referenzspannung (SOLL) gibt der Comperator eine logische 1 aus. Ist die Vergleichsspannung hingegen größer als die Referenzspannung wird eine logische 0 ausgegeben.

Der Comparator arbeitet völlig autark bzw. parallel zum Prozessor. Für mobile Anwendungen empfiehlt es sich ihn abzuschalten sofern er nicht benötigt wird, da er ansonsten Strom benötigt. Der Comparator kann Interruptgesteuert abgefragt werden oder im Pollingbetrieb.

Das Steuer- bzw. Statusregister ist wie folgt aufgebaut:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''ACSR - Analog Comparator Status Register'''
|-
! Bit
| 7|| 6|| 5|| 4|| 3|| 2|| 1|| 0
|-
! Name
| '''ACD'''|| '''ACBG'''|| '''ACO'''|| '''ACI'''|| '''ACIE'''|| '''ACIC'''|| '''ACIS1'''|| '''ACIS0'''
|-
! R/W
| R/W|| R/W|| R|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W
|-
! Initialwert
| 0|| 0|| n/a|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0
|}

;Bit 7 ACD: Analog Comparator Disable: 0 = Comparator ein, 1 = Comparator aus. Wird dieses Bit geändert kann ein Interrupt ausgelöst werden. Soll dies vermieden werden muss das Bit 3 ACIE ggf. abgeschaltet werden.

;Bit 6 ACBG: Analog Comparator Bandgap Select: Ermöglicht das umschalten zwischen interner und externer Referenzspannung. 1 = interne (~1,3 Volt), 0 = externe Referenzspannung (an Pin AIN0)

;Bit 5 ACO: Analog Comparator Output: Hier wird das Ergebnis des Vergleichs angezeigt. Es liegt typischerweise nach 1-2 Taktzyklen vor.
:: IST < SOLL → 1
:: IST > SOLL → 0

;Bit 4 ACI: Analog Comparator Interrupt Flag: Dieses Bit wird von der Hardware gesetzt, wenn ein Interruptereignis, das in Bit 0 und 1 definiert ist, eintritt. Dieses Bit löst noch keinen Interrupt aus! Die Interruptroutine wird nur dann ausgeführt, wenn das Bit 3 ACIE gesetzt ist und global Interrupts erlaubt sind (I-Bit in SREG gesetzt). Das Bit 4 ACI wird wieder gelöscht, wenn die Interruptroutine ausgeführt wurde oder wenn es manuell auf 1! gesetzt wird. Das Bit kann für Abfragen genutzt werden, steuert oder konfiguriert aber nicht den Comparator.

;Bit 3 ACIE: Analog Comparator Interrupt Enable: Ist das Bit auf 1 gesetzt, wird immer ein Interrupt ausgelöst, wenn das Ereignis das in Bit 1 und 0 definiert ist, eintritt.

;Bit 2 ACIC: Analog Comparator Input Capture Enable: Wird das Bit gesetzt, wird der Comparatorausgang intern mit dem Counter 1 verbunden. Es könnten damit z.b. die Anzahl der Vergleiche im Counter1 gezählt werden. Um den Comparator an den Timer1 Input Capture Interrupt zu verbinden, muss im Timerregister das TICIE1 Bit auf 1 gesetzt werden. Der Trigger wird immer dann ausgelöst, wenn das in Bit 1 und 0 definierte Ereignis eintritt.

;Bit 1,0 ACIS1,ACIS0: Analog Comparator Interrupt select: Hier wird definiert, welche Ereignisse einen Interrupt auslösen sollen:
:* 00 = Interrupt auslösen bei jedem Flankenwechsel
:* 10 = Interrupt auslösen bei fallender Flanke
:* 11 = Interrupt auslösen bei steigender Flanke

Werden diese Bit geändert, kann ein Interrupt ausgelöst werden. Soll dies vermieden werden, muss das Bit 3 gelöscht werden.

== ADC (Analog Digital Converter) ==

Der Analog-Digital-Konverter (ADC) wandelt analoge Signale in digitale Werte um, welche vom Controller interpretiert werden können. Einige AVR-Typen haben bereits einen mehrkanaligen Analog-Digital-Konverter eingebaut. Die Feinheit, mit welcher ein analoges Signal aufgelöst werden kann, wird durch die Auflösung des ADC, d.h. durch die Anzahl der verwendeten Bits angegeben. So sind derzeit bspw. 8-Bit- oder 10-Bit-ADC im Einsatz. ADCs, die in AVRs enthalten sind, haben zur Zeit eine maximale Auflösung von 10-Bit.

Ein ADC mit 8 Bit Auflösung kann somit das analoge Signal in Abstufungen von 1/256 des Maximalwertes digitalisieren. Wenn wir nun mal annehmen, wir hätten eine Eingangspannung zwischen 0 und 5 Volt, eine Referenzspannung von 5 V und eine Auflösung von 3 Bit, dann könnten
Intervalle mit den Grenzen 0 V, 0.625 V, 1.25 V, 1.875 V, 2.5 V, 3.125 V, 3.75 V, 4.375 V, 5 V entsprechend folgender Tabelle unterschieden werden:

::{| class="wikitable" style="text-align:center"
! Eingangsspannung am ADC / V || Entsprechender Messwert
|-
| 0 – 0.625 || 0
|-
| 0.625 – 1.25 || 1
|-
| 1.25 – 1.875 || 2
|-
| 1.875 – 2.5 || 3
|-
| 2.5 – 3.125 || 4
|-
| 3.125 – 3.75 || 5
|-
| 3.75 – 4.375 || 6
|-
| 4.375 – 5 || 7
|}

Die Angaben sind natürlich nur ungefähr. Je höher nun die Auflösung des Analog-Digital-Konverters ist, also, je mehr Bits er hat, desto genauer kann der jeweilige Wert erfasst werden.

=== Der interne ADC im AVR ===

Oft sind auch mehrere Kanäle verfügbar. Kanäle heißt in diesem Zusammenhang, dass zwar bis zu zehn analoge Eingänge am AVR vorhanden sind, aber nur ein "echter" Analog-Digital-Wandler zur Verfügung steht. Vor der eigentlichen Messung ist also festzulegen, welcher Kanal ("Pin") mit dem Wandler verbunden und gemessen wird.

Die Umwandlung innerhalb des AVR basiert auf der schrittweisen Näherung. Beim AVR müssen die Pins '''AGND''' und '''AVCC''' beschaltet werden. Für genaue Messungen sollte AVCC über ein L-C Netzwerk mit VCC verbunden werden, um Spannungsspitzen und -einbrüche vom Analog-Digital-Wandler fernzuhalten. Im Datenblatt findet sich dazu eine Schaltung, die 10uH und 100nF vorsieht.

Das Ergebnis der Analog-Digital-Wandlung wird auf eine Referenzspannung bezogen. Aktuelle AVRs bieten drei Möglichkeiten zur Wahl dieser Spannung:

* Eine externe Referenzspannung von maximal '''Vcc''' am Anschlusspin '''AREF'''. Die minimale (externe) Referenzspannung darf jedoch nicht beliebig niedrig sein, vgl. dazu das (aktuellste) Datenblatt des verwendeten Controllers.

* Verfügt der AVR über eine interne Referenzspannung, kann diese genutzt werden. Alle aktuellen AVRs mit internem AD-Wandler sollten damit ausgestattet sein (vgl. Datenblatt: 2,56V oder 1,1V je nach Typ). Das Datenblatt gibt auch über die Genauigkeit dieser Spannung Auskunft.

* Es kann die Spannung AVcc als Referenzspannung herangezogen werden

Bei Nutzung von AVcc oder der internen Referenz wird empfohlen, einen Kondensator zwischen dem AREF-Pin und GND anzuordnen. Die Festlegung, welche Spannungsreferenz genutzt wird, erfolgt z. B. beim ATmega16 mit den Bits REFS1/REFS0 im ADMUX-Register. Die zu messende Spannung muss im Bereich zwischen '''AGND''' und '''AREF''' (egal ob intern oder extern) liegen.

Der '''ADC''' kann in zwei verschiedenen Betriebsarten verwendet werden:

; Einfache Wandlung (Single Conversion) : In dieser Betriebsart wird der Wandler bei Bedarf vom Programm angestoßen für jeweils eine Messung.

; Frei laufend (Free Running) : In dieser Betriebsart erfasst der Wandler permanent die anliegende Spannung und schreibt diese in das '''ADC Data Register'''.

==== Die Register des ADC ====

Der '''ADC''' verfügt über eigene Register. Im Folgenden die Registerbeschreibung eines ATMega16, welcher über 8 ADC-Kanäle verfügt. Die Register unterscheiden sich jedoch nicht erheblich von denen anderer AVRs (vgl. Datenblatt).

{| class="wikitable"
|-
| '''ADCSRA   '''
| '''ADC''' '''C'''ontrol and '''S'''tatus '''R'''egister A. 
In diesem Register stellen wir ein, wie wir den '''ADC''' verwenden möchten. 
Das Register ist wie folgt aufgebaut:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7|| 6|| 5|| 4|| 3|| 2|| 1|| 0
|-
! Name
| '''ADEN'''|| '''ADSC'''|| '''ADFR'''|| '''ADIF'''|| '''ADIE'''|| '''ADPS2'''|| '''ADPS1'''|| '''ADPS0'''
|-
! R/W
| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W
|-
! Initialwert
| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0
|}

'''ADEN''' ('''AD'''C '''En'''able)
:Dieses Bit muss gesetzt werden, um den ''' ADC''' überhaupt zu aktivieren. Wenn das Bit nicht gesetzt ist, können die Pins wie normale I/O-Pins verwendet werden.

'''ADSC''' ('''AD'''C '''S'''tart '''C'''onversion)
:Mit diesem Bit wird ein Messvorgang gestartet. In der frei laufenden Betriebsart muss das Bit gesetzt werden, um die kontinuierliche Messung zu aktivieren.
:Wenn das Bit nach dem Setzen des '''ADEN'''-Bits zum ersten Mal gesetzt wird, führt der Controller zuerst eine zusätzliche Wandlung und erst dann die eigentliche Wandlung aus. Diese zusätzliche Wandlung wird zu Initialisierungszwecken durchgeführt.
:Das Bit bleibt nun so lange auf 1, bis die Umwandlung abgeschlossen ist, im Initialisierungsfall entsprechend bis die zweite Umwandlung erfolgt ist und geht danach auf 0.

'''ADFR''' ('''AD'''C '''F'''ree '''R'''un select)
:Mit diesem Bit wird die Betriebsart eingestellt.
:Ist das Bit auf 1 gesetzt arbeitet der ADC im "Free Running"-Modus. Dabei wird das Datenregister permanent aktualisiert. Ist das Bit hingegen auf 0 gesetzt, macht der ADC nur eine "Single Conversion".

'''ADIF''' ('''AD'''C '''I'''nterrupt '''F'''lag)
:Dieses Bit wird vom ''' ADC''' gesetzt, sobald eine Umwandlung erfolgt ist und das '''ADC Data Register''' aktualisiert wurde. Das Bit wird bei lesendem Zugriff auf '''ADC(L,H)''' automatisch (d.h. durch die Hardware) gelöscht.
:Wenn das '''ADIE''' Bit sowie das '''I-Bit''' im AVR '''Statusregister''' gesetzt ist, wird der '''ADC Interrupt''' ausgelöst und die Interrupt-Behandlungsroutine aufgerufen.
:Das Bit wird automatisch gelöscht, wenn die Interrupt-Behandlungsroutine aufgerufen wird. Es kann jedoch auch gelöscht werden, indem eine logische '''1'''! in das Register geschrieben wird.

'''ADIE''' ('''AD'''C '''I'''nterrupt '''E'''nable)
:Wenn dieses Bit gesetzt ist und ebenso das ''' I-Bit''' im Statusregister '''SREG''', dann wird der ''' ADC-Interrupt''' aktiviert.

'''ADPS2...ADPS0''' ('''AD'''C '''P'''rescaler '''S'''elect Bits)
:Diese Bits bestimmen den Teilungsfaktor zwischen der Taktfrequenz und dem Eingangstakt des '''ADC'''.
:Der '''ADC''' benötigt einen eigenen Takt, welchen er sich selber aus der CPU-Taktfreqenz erzeugt. Der '''ADC'''-Takt sollte zwischen 50 und 200kHz liegen.
:Der Vorteiler muss also so eingestellt werden, dass CPU-Taktfrequenz dividiert durch den Teilungsfaktor einen Wert im Bereich '''(50-200)kHz''' ergibt.
:Bei einer CPU-Taktfrequenz von 4MHz beispielsweise rechnen wir

:<math>
\begin{matrix}
TF_{min}=\frac{CLK}{200\,\mathrm{kHz}}=\frac{4000000}{200000}=\mathbf{20}
\\
\\
TF_{max}=\frac{CLK}{50\,\mathrm{kHz}}=\frac{4000000}{50000}=\mathbf{80}
\end{matrix}
</math>

:Somit kann hier der Teilungsfaktor 32 oder 64 verwendet werden. Im Interesse der schnelleren Wandlungszeit werden wir hier den Faktor 32 einstellen.

:{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! '''ADPS2'''|| '''ADPS1'''|| '''ADPS0'''|| '''Teilungsfaktor'''
|-
| 0|| 0|| 0|| 2
|-
| 0|| 0|| 1|| 2
|-
| 0|| 1|| 0|| 4
|-
| 0|| 1|| 1|| 8
|-
| 1|| 0|| 0|| 16
|-
| 1|| 0|| 1|| 32
|-
| 1|| 1|| 0|| 64
|-
| 1|| 1|| 1|| 128
|}

|-
| '''ADCL''' 
'''ADCH'''
| '''ADC ''' Data Register 
Wenn eine Umwandlung abgeschlossen ist, befindet sich der gemessene Wert in
diesen beiden Registern. Von '''ADCH''' werden nur die beiden niederwertigsten Bits verwendet. Es müssen immer beide Register ausgelesen werden, und zwar immer '''in der Reihenfolge: ADCL, ADCH'''.
Der effektive Messwert ergibt sich dann zu:

<c>
x = ADCL; // mit uint16_t x
x += (ADCH<<8); // in zwei Zeilen (LSB/MSB-Reihenfolge und
// C-Operatorpriorität sichergestellt)
</c>

oder

<c>
x = ADCW; // je nach AVR auch x = ADC (siehe avr/ioxxx.h)
</c>

|-
| '''ADMUX  '''
| '''AD'''C '''Mu'''ltiple'''x'''er Select Register 
Mit diesem Register wird der zu messende Kanal ausgewählt. Beim 90S8535
kann jeder Pin von Port A als '''ADC'''-Eingang verwendet werden (=8 Kanäle). 
Das Register ist wie folgt aufgebaut:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7|| 6|| 5|| 4|| 3|| 2|| 1|| 0
|-
! Name
| '''REFS1'''|| '''REFS0'''|| '''ADLAR'''|| '''MUX4'''|| '''MUX3'''|| '''MUX2'''|| '''MUX1'''|| '''MUX0'''
|-
! '''R/W'''
| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W
|-
! Initialwert
| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0
|}

'''REFS1...REFS0''' ('''Ref'''erence'''S'''election Bits)
:Mit diesen Bits kann die Referenzspannung eingestellt werden. Bei der Umstellung sind Wartezeiten zu beachten, bis die ADC-Hardware einsatzfähig ist (Datenblatt und [http://www.mikrocontroller.net/topic/165513]):

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! '''REFS1'''|| '''REFS0'''|| '''Referenzspanung'''
|-
| 0|| 0|| Externes AREF
|-
| 0|| 1|| AVCC als Referenz
|-
| 1|| 0|| Reserviert
|-
| 1|| 1|| Interne 2,56 Volt
|}

'''ADLAR''' ('''ADC ''' '''L'''eft '''A'''djust '''R'''esult)
:Das ADLAR Bit verändert das Aussehen des Ergebnisses der AD-Wandlung. Bei einer logischen 1 wird das Ergebnis linksbündig ausgegeben, bei einer 0 rechtsbündig. Eine Änderung in diesem Bit beeinflusst das Ergebnis sofort, ganz egal ob bereits eine Wandlung läuft.

'''MUX4...MUX0'''
:Mit diesen 5 Bits wird der zu messende Kanal bestimmt. Wenn man einen einfachen 1-kanaligen ADC verwendet wird einfach die entsprechende Pinnummer des Ports in die Bits 0...4 eingeschrieben (je nach Anzahl der Wandler des AVR, bei 8 AD-Kanälen halt nur 0...2).
:Wenn das Register beschrieben wird, während eine Umwandlung läuft, so wird zuerst die aktuelle Umwandlung auf dem bisherigen Kanal beendet. Dies ist vor allem beim frei laufenden Betrieb zu berücksichtigen.

:Eine Empfehlung ist deswegen diese, dass der frei laufende Betrieb nur bei einem einzelnen zu verwendenden Analogeingang verwendet werden sollte, wenn man sich Probleme bei der Umschalterei ersparen will.
|}

==== Nutzung des ADC ====

Um den ''' ADC''' zu aktivieren, müssen wir das '''ADEN'''-Bit im '''ADCSR'''-Register setzen. Im gleichen Schritt legen wir auch die Betriebsart fest.

Ein kleines Beispiel für den "single conversion"-Mode bei einem ATmega169 und Nutzung der internen Referenzspannung (beim '169 1,1V bei anderen AVRs auch 2,56V). D.h. das Eingangssignal darf diese Spannung nicht überschreiten, gegebenenfalls muss es mit einem [[Spannungsteiler]] verringert werden. Das Ergebnis der Routine ist der ADC-Wert, also 0 für 0-Volt und 1023 für V_ref-Volt.

In der praktischen Anwendung wird man zum Programmstart den ADC erst einmal grundlegend konfigurieren und dann auf verschiedenen Kanälen messen. Diese beiden Dinge sollte man meist trennen, denn das Einschalten des ADC und vor allem der Referenzspannung dauert ein paar Dutzend Mikrosekunden. Außerdem ist das erste Ergebnis nach dem Einschalten ungültig und muss verworfen werden.

<c>

/* ADC initialisieren */
void ADC_Init(void) {

uint16_t result;

// ADMUX = (0<<REFS1) | (1<<REFS0); // AVcc als Referenz benutzen
ADMUX = (1<<REFS1) | (1<<REFS0); // interne Referenzspannung nutzen
ADCSRA = (1<<ADPS1) | (1<<ADPS0); // Frequenzvorteiler
ADCSRA |= (1<<ADEN); // ADC aktivieren

/* nach Aktivieren des ADC wird ein "Dummy-Readout" empfohlen, man liest
also einen Wert und verwirft diesen, um den ADC "warmlaufen zu lassen" */

ADCSRA |= (1<<ADSC); // eine ADC-Wandlung
while (ADCSRA & (1<<ADSC) ) {} // auf Abschluss der Konvertierung warten
/* ADCW muss einmal gelesen werden, sonst wird Ergebnis der nächsten
Wandlung nicht übernommen. */
result = ADCW;
}

/* ADC Einzelmessung */
uint16_t ADC_Read( uint8_t channel )
{
// Kanal waehlen, ohne andere Bits zu beeinflußen
ADMUX = (ADMUX & ~(0x1F)) | (channel & 0x1F);
ADCSRA |= (1<<ADSC); // eine Wandlung "single conversion"
while (ADCSRA & (1<<ADSC) ) {} // auf Abschluss der Konvertierung warten
return ADCW; // ADC auslesen und zurückgeben
}

/* ADC Mehrfachmessung mit Mittelwertbbildung */
uint16_t ADC_Read_Avg( uint8_t channel, uint8_t average )
{
uint32_t result = 0;

for (uint8_t i = 0; i < average; ++i )
result += ADC_Read( channel );

return (uint16_t)( result / average );
}

...

/* Beispielaufrufe: */

int main()
{
uint16_t adcval;
ADC_Init();

while( 1 ) {
adcval = ADC_Read(0); // Kanal 0
// mach was mit adcval

adcval = ADC_Read_Avg(2, 4); // Kanal 2, Mittelwert aus 4 Messungen
// mach was mit adcval
}
}

</c>

Im Beispiel läuft der ADC ständig. Für den Fall, dass man Strom sparen will, z.B. mittels Verwendung des [[Sleep Mode]]s, muss man den ADC nach jeder Messung abschalten und vor der nächsten Messung wieder einschalten, wobei auch dann wieder eine kleine Pause und Anfangswandlung nötig sind.



=== Analog-Digital-Wandlung ohne internen ADC ===

==== Messen eines Widerstandes ====

[[Image:Poti.gif|framed|right]]
Analoge Werte lassen sich ohne Analog-Digital-Wandler auch indirekt ermitteln. Im Folgenden wird die Messung des an einem Potentiometer eingestellten Widerstands anhand der Ladekurve eines Kondensators erläutert. Bei dieser Methode wird nur ein Portpin benötigt, ein Analog-Digital-Wandler oder Analog-Comparator ist nicht erforderlich. Es wird dazu ein Kondensator und der Widerstand (das Potentiometer) in Reihe zwischen Vorsorgungsspannung und Masse/GND geschaltet (sogen. RC-Netzwerk). Zusätzlich wird eine Verbindung der Leitung zwischen Kondensator und Potentiometer zu einem Portpin des Controllers hergestellt. Die folgende Abbildung verdeutlicht die erforderliche Schaltung.

Wird der Portpin des Controllers auf Ausgang konfiguriert (im Beispiel ''DDRD |= (1<<PD2)'') und dieser Ausgang auf Logisch 1 ("High", ''PORTD |= (1<<PD2)'') geschaltet, liegt an beiden "Platten" des Kondensators das gleiche Potential '''VCC''' an und der Kondensator somit entladen. (Klingt komisch, mit ''' Vcc''' entladen, ist aber so, da an beiden Seiten des Kondensators das gleiche Potential anliegt und somit eine Potentialdifferenz von 0V besteht => Kondensator ist entladen).

Nach einer gewissen Zeit ist der Kondensator entladen und der Portpin wird als Eingang konfiguriert (''DDRD &= ~(1<<PD2); PORTD &= ~(1<<PD2)''), wodurch dieser hochohmig wird. Der Status des Eingangspin (in PIND) ist Logisch 1 (High). Der Kondensator lädt sich jetzt über das Poti auf, dabei steigt der Spannungsabfall über dem Kondensator und derjenige über dem Poti sinkt. Fällt nun der Spannungsabfall über dem Poti unter die Threshold-Spannung des Eingangspins (2/5 Vcc, also ca. 2V), wird das Eingangssignal als LOW erkannt (Bit in PIND wird 0). Die Zeitspanne zwischen der Umschaltung von Entladung auf Aufladung und dem Wechsel des Eingangssignals von High auf Low ist ein Maß für den am Potentiometer eingestellten Widerstand. Zur Zeitmessung kann einer der im Controller vorhandenen Timer genutzt werden. Der 220 Ohm Widerstand dient dem Schutz des Controllers. Es würde sonst bei Maximaleinstellung des Potentionmeters (hier 0 Ohm) ein zu hoher Strom fließen, der die Ausgangsstufe des Controllers zerstört.

Mit einem weiteren Eingangspin und ein wenig Software können wir auch eine Kalibrierung realisieren, um den Messwert in einen vernünftigen Bereich (z.B: 0...100 % oder so) umzurechnen.



==== ADC über Komparator ====

[[Image:ADC ueber Komparator.gif|framed|right]]
Es gibt einen weiteren Weg, eine analoge Spannung mit Hilfe des
Komparators, welcher in fast jedem AVR integriert ist, zu messen. Siehe dazu
auch die Application Note AVR400 von Atmel.

Dabei wird das zu messende Signal auf den invertierenden Eingang
des Komparators geführt. Zusätzlich wird ein Referenzsignal an den nicht
invertierenden Eingang des Komparators angeschlossen. Das Referenzsignal wird
hier auch wieder über ein RC-Glied erzeugt, allerdings mit festen Werten für R
und C.

Das Prinzip der Messung ist nun dem vorhergehenden recht
ähnlich. Durch Anlegen eines LOW-Pegels an Pin 2 wird der Kondensator zuerst
einmal entladen. Auch hier muss darauf geachtet werden, dass der Entladevorgang
genügend lang dauert.
Nun wird Pin 2 auf HIGH gelegt. Der Kondensator wird geladen. Wenn die Spannung
über dem Kondensator die am Eingangspin anliegende Spannung erreicht hat,
schaltet der Komparator durch. Die Zeit, welche benötigt wird, um den
Kondensator zu laden, kann nun auch wieder als Maß für die Spannung an Pin 1
herangezogen werden.

Ich habe es mir gespart, diese Schaltung auch aufzubauen, und zwar aus mehreren Gründen:

# 3 Pins notwendig.
# Genauigkeit vergleichbar mit einfacherer Lösung.
# War einfach zu faul.

Der Vorteil dieser Schaltung liegt allerdings darin, dass damit direkt Spannungen gemessen werden können.

== DAC (Digital Analog Converter) ==

Mit Hilfe eines Digital-Analog-Konverters ('''DAC''') können wir nun auch Analogsignale ausgeben. Es gibt hier mehrere Verfahren. 

=== DAC über mehrere digitale Ausgänge ===

Wenn wir an den Ausgängen des Controllers ein entsprechendes
Widerstandsnetzwerk aufbauen haben wir die Möglichkeit, durch die Ansteuerung
der Ausgänge über den Widerständen einen Addierer aufzubauen, mit dessen
Hilfe wir eine dem Zahlenwert proportionale Spannung erzeugen können. Das
Schaltbild dazu kann etwa so aussehen:

[[Image:DAC R2R.gif]]

Es sollten selbstverständlich möglichst genaue Widerstände verwendet
werden, also nicht unbedingt solche mit einer Toleranz von 10% oder mehr.
Weiterhin empfiehlt es sich, je nach Anwendung den Ausgangsstrom über einen
Operationsverstärker zu verstärken.

=== PWM (Pulsweitenmodulation) ===

Wir kommen nun zu einem Thema, welches in aller Munde ist, aber viele
Anwender verstehen nicht ganz, wie [[PWM]] eigentlich funktioniert.

Wie wir alle wissen, ist ein Mikrocontroller ein rein digitales Bauteil.
Definieren wir einen Pin als Ausgang, dann können wir diesen Ausgang entweder
auf HIGH setzen, worauf am Ausgang die Versorgungsspannung ''' Vcc''' anliegt, oder aber wir setzen den Ausgang auf LOW, wonach dann ''' 0V''' am Ausgang liegt. Was passiert aber nun, wenn wir periodisch mit einer festen Frequenz zwischen HIGH und LOW umschalten? - Richtig, wir erhalten eine Rechteckspannung, wie die folgende Abbildung zeigt:

[[Image:PWM Theorie 1.gif]]

Diese Rechteckspannung hat nun einen arithmetischen Mittelwert,
der je nach Pulsbreite kleiner oder größer ist.

[[Image:PWM Theorie 2.gif]]

Wenn wir nun diese pulsierende Ausgangsspannung noch über ein RC-Glied filtern/"glätten", dann haben wir schon eine entsprechende Gleichspannung erzeugt.

Mit den AVRs können wir direkt PWM-Signale erzeugen.
Dazu dient der 16-Bit Zähler, welcher im sogenannten PWM-Modus betrieben werden kann.

;Hinweis: In den folgenden Überlegungen wird als Controller der 90S2313 vorausgesetzt. Die Theorie ist bei anderen AVR-Controllern vergleichbar, die Pinbelegung allerdings nicht unbedingt, weshalb ein Blick ins entsprechende Datenblatt dringend angeraten wird.

Um den PWM-Modus zu aktivieren, müssen im Timer/Counter1 Control
Register A TCCR1A die Pulsweiten-Modulatorbits PWM10 bzw. PWM11 entsprechend nachfolgender Tabelle gesetzt werden:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! PWM11 || PWM10 || Bedeutung
|-
| 0 || 0 || PWM-Modus des Timers ist nicht aktiv
|-
| 0 || 1 || 8-Bit PWM
|-
| 1 || 0 || 9-Bit PWM
|-
| 1 || 1 || 10-Bit PWM
|}

Der Timer/Counter zählt nun permanent von 0 bis zur Obergrenze
und wieder zurück, er wird also als sogenannter Auf-/Ab Zähler betrieben.
Die Obergrenze hängt davon ab, ob wir mit 8, 9 oder 10-Bit PWM arbeiten wollen:

{| class="wikitable"
|-
! Auflösung || Obergrenze || Frequenz
|-
| align="center" | 8
| align="center" | 255
| fTC1 / 510
|-
| align="center" | 9
| align="center" | 511
| fTC1 / 1022
|-
| align="center" | 10
| align="center" | 1023
| fTC1 / 2046
|}

Zusätzlich muss mit den Bits '''COM1A1''' und '''COM1A0''' desselben
Registers die gewünschte Ausgabeart des Signals definiert werden:

{| class="wikitable"
|-
! COM1A1 || COM1A0 || Bedeutung
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| Keine Wirkung, Pin wird nicht geschaltet.
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| Keine Wirkung, Pin wird nicht geschaltet.
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| Nicht invertierende PWM. 
Der Ausgangspin wird gelöscht beim Hochzählen und gesetzt beim
Herunterzählen.
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| Invertierende PWM. 
Der Ausgangspin wird gelöscht beim Herunterzählen und gesetzt beim
Hochzählen.
|}

Der entsprechende Befehl, um beispielsweise den Timer/Counter als
nicht invertierenden 10-Bit PWM zu verwenden, heißt dann:

alte Schreibweise (PWMxx wird nicht mehr akzeptiert)
<c>
TCCR1A = (1<<PWM11)|(1<<PWM10)|(1<<COM1A1);
</c>
neue Schreibweise
<c>
TCCR1A = (1<<WGM11)|(1<<WGM10)|(1<<COM1A1);
</c>

Damit der Timer/Counter überhaupt läuft, müssen wir im Control
Register B '''TCCR1B''' noch den gewünschten Takt (Vorteiler) einstellen und
somit auch die Frequenz des '''PWM'''-Signals bestimmen.

{| class="wikitable"
|-
! CS12 || CS11 || CS10 || Bedeutung
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| Stop. Der Timer/Counter wird gestoppt.
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| CK
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| CK / 8
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| CK / 64
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| CK / 256
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| CK / 1024
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| Externer Pin 1, negative Flanke
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| Externer Pin 1, positive Flanke
|}

Also um einen Takt von CK / 1024 zu generieren, verwenden wir
folgenden Befehl:

<c>
TCCR1B = (1<<CS12) | (1<<CS10);
</c>

Jetzt muss nur noch der Vergleichswert festgelegt werden. Diesen
schreiben wir in das 16-Bit Timer/Counter Output Compare Register '''OCR1A'''.

<c>
OCR1A = xxx;
</c>

Die folgende Grafik soll den Zusammenhang zwischen dem Vergleichswert und dem generierten '''PWM'''-Signal aufzeigen.

[[Image:PWM Theorie 3.gif]]

[[Image:PWM Theorie 4.gif]]

Ach ja, fast hätte ich's vergessen. Das generierte '''PWM'''-Signal
wird am Output Compare Pin '''OC1''' des Timers ausgegeben und leider können wir
deshalb auch beim AT90S2313 nur ein einzelnes '''PWM'''-Signal mit dieser Methode generieren. Andere AVR-Typen verfügen über bis zu vier PWM-Ausgänge. Zu beachten ist außerdem, das wenn der OC Pin aktiviert ist, er nichtmehr wie üblich funktioniert und z. B. nicht einfach über PINx ausgelesen werden kann.

Ein Programm, welches an einem ATmega8 den Fast-PWM Modus verwendet, den Modus 14, könnte so aussehen
<C>
#include <avr/io.h>

int main()
{
// OC1A auf Ausgang
DDRB = (1 << PB1 ); //ATMega8
// DDRD = (1 << PD5 ); //ATMega16
//
// Timer 1 einstellen
//
// Modus 14:
// Fast PWM, Top von ICR1
//
// WGM13 WGM12 WGM11 WGM10
// 1 1 1 0
//
// Timer Vorteiler: 1
// CS12 CS11 CS10
// 0 0 1
//
// Steuerung des Ausgangsport: Set at BOTTOM, Clear at match
// COM1A1 COM1A0
// 1 0

TCCR1A = (1<<COM1A1) | (1<<WGM11);
TCCR1B = (1<<WGM13) | (1<<WGM12) | (1<<CS10);

// den Endwert (TOP) für den Zähler setzen
// der Zähler zählt bis zu diesem Wert

ICR1 = 0x6FFF;

// der Compare Wert
// Wenn der Zähler diesen Wert erreicht, wird mit
// obiger Konfiguration der OC1A Ausgang abgeschaltet
// Sobald der Zähler wieder bei 0 startet, wird der
// Ausgang wieder auf 1 gesetzt
//
// Durch Verändern dieses Wertes, werden die unterschiedlichen
// PWM Werte eingestellt.

OCR1A = 0x3FFF;

while (1) {}
}
</C>

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''PWM-Mode Tabelle aus dem Datenblatt des ATmega8515'''
|-
!Mode || WGM13 || WGM12 || WGM11 || WGM10 || Timer/Counter Mode of Operation
! TOP|| Update of OCR1x at || TOV1 Flag set on
|-
! 0
| 0
| 0
| 0
| 0
| Normal
| 0xFFFF
| Immediate
| MAX
|-
! 1
| 0
| 0
| 0
| 1
| PWM, Phase Correct, 8-Bit
| 0x00FF
| TOP
| BOTTOM
|-
! 2
| 0
| 0
| 1
| 0
| PWM, Phase Correct, 9-Bit
| 0x01FF
| TOP
| BOTTOM
|-
! 3
| 0
| 0
| 1
| 1
| PWM, Phase Correct, 10-Bit
| 0x03FF
| TOP
| BOTTOM
|-
! 4
| 0
| 1
| 0
| 0
| CTC
| OCR1A
| Immediate
| MAX
|-
! 5
| 0
| 1
| 0
| 1
| Fast PWM, 8-Bit
| 0x00FF
| BOTTOM
| TOP
|-
! 6
| 0
| 1
| 1
| 0
| Fast PWM, 9-Bit
| 0x01FF
| BOTTOM
| TOP
|-
! 7
| 0
| 1
| 1
| 1
| Fast PWM, 10-Bit
| 0x03FF
| BOTTOM
| TOP
|-
! 8
| 1
| 0
| 0
| 0
| PWM, Phase an Frequency Correct
| ICR1
| BOTTOM
| BOTTOM
|-
! 9
| 1
| 0
| 0
| 1
| PWM, Phase an Frequency Correct
| OCR1A
| BOTTOM
| BOTTOM
|-
! 10
| 1
| 0
| 1
| 0
| PWM, Phase Correct
| ICR1
| TOP
| BOTTOM
|-
! 11
| 1
| 0
| 1
| 1
| PWM, Phase an Frequency Correct
| OCR1A
| TOP
| BOTTOM
|-
! 12
| 1
| 1
| 0
| 0
| CTC
| ICR1
| Immediate
| MAX
|-
! 13
| 1
| 1
| 0
| 1
| Reserved
| -
| -
| -
|-
! 14
| 1
| 1
| 1
| 0
| Fast PWM
| ICR1
| BOTTOM
| TOP
|-
! 15
| 1
| 1
| 1
| 1
| Fast PWM
| OCR1A
| BOTTOM
| TOP
|}

Für Details der PWM-Möglichkeiten muss immer das jeweilge Datenblatt des Prozessors konsultiert werden, da sich die unterschiedlichen Prozessoren in ihren Möglichkeiten doch stark unterscheiden. Auch muss man aufpassen, welches zu setzende Bit in welchem Register ist. Auch hier kann es sein, dass gleichnamige Konfigurationsbits in unterschiedlichen Konfigurationsregistern (je nach konkretem Prozessortyp) sitzen.

= Warteschleifen (delay.h) =

Der Programmablauf kann verschiedene Arten von Wartefunktionen erfordern:

* Warten im Sinn von Zeitvertrödeln
* Warten auf einen bestimmten Zustand an den I/O-Pins
* Warten auf einen bestimmten Zeitpunkt (siehe Timer)
* Warten auf einen bestimmten Zählerstand (siehe Counter)

Der einfachste Fall, das Zeitvertrödeln, kann in vielen Fällen und mit großer Genauigkeit anhand der avr-libc Bibliotheksfunktionen _delay_ms() und _delay_us() erledigt werden. Die Bibliotheksfunktionen sind einfachen Zählschleifen (Warteschleifen) vorzuziehen, da leere Zählschleifen ohne besondere Vorkehrungen sonst bei eingeschalteter Optimierung vom avr-gcc-Compiler wegoptimiert werden. Weiterhin sind die Bibliotheksfunktionen bereits darauf vorbereitet, die in F_CPU definierte Taktfrequenz zu verwenden. Außerdem sind die Funktionen der Bibliothek wirklich getestet.

Einfach!? Schon, aber während gewartet wird, macht der µC nichts anderes mehr. Die Wartefunktion blockiert den Programmablauf. Möchte man einerseits warten, um z. B. eine LED blinken zu lassen und gleichzeitig andere Aktionen ausführen z. B. weitere LED bedienen, sollten die Timer/Counter des AVR verwendet werden.

Die Bibliotheksfunktionen funktionieren allerdings nur dann korrekt, wenn sie mit zur Übersetzungszeit (beim Compilieren) bekannten konstanten Werten aufgerufen werden. Der Quellcode muss mit eingeschalteter Optimierung übersetzt werden, sonst wird sehr viel Maschinencode erzeugt, und die Wartezeiten stimmen nicht mehr mit dem Parameter überein.

Abhängig von der Version der Bibliothek verhalten sich die Bibliotheksfunktionen etwas unterschiedlich.

== avr-libc Versionen kleiner 1.6 ==

Die Wartezeit der Funktion _delay_ms() ist auf 262,14ms/F_CPU (in MHz) begrenzt, d.h. bei 20 MHz kann man nur max. 13,1ms warten. Die Wartezeit der Funktion _delay_us() ist auf 768us/F_CPU (in MHz) begrenzt, d.h. bei 20 MHz kann man nur max. 38,4us warten. Längere Wartezeiten müssen dann über einen mehrfachen Aufruf in einer Schleife gelöst werden.

Beispiel: Blinken einer LED an PORTB Pin PB0 im ca. 1s Rhythmus
<c>
#include <avr/io.h>
#ifndef F_CPU
/* Definiere F_CPU, wenn F_CPU nicht bereits vorher definiert
(z. B. durch Übergabe als Parameter zum Compiler innerhalb
des Makefiles). Zusätzlich Ausgabe einer Warnung, die auf die
"nachträgliche" Definition hinweist */
#warning "F_CPU war noch nicht definiert, wird nun mit 3686400 definiert"
#define F_CPU 3686400UL /* Quarz mit 3.6864 Mhz */
#endif
#include <util/delay.h> /* in älteren avr-libc Versionen <avr/delay.h> */

/*
lange, variable Verzögerungszeit, Einheit in Millisekunden

Die maximale Zeit pro Funktionsaufruf ist begrenzt auf
262.14 ms / F_CPU in MHz (im Beispiel:
262.1 / 3.6864 = max. 71 ms)

Daher wird die kleine Warteschleife mehrfach aufgerufen,
um auf eine längere Wartezeit zu kommen. Die zusätzliche
Prüfung der Schleifenbedingung lässt die Wartezeit geringfügig
ungenau werden (macht hier vielleicht 2-3ms aus).
*/

void long_delay(uint16_t ms)
{
for(; ms>0; ms--) _delay_ms(1);
}

int main( void )
{
DDRB = ( 1 << PB0 ); // PB0 an PORTB als Ausgang setzen

while( 1 ) // Endlosschleife
{
PORTB ^= ( 1 << PB0 ); // Toggle PB0 z. B. angeschlossene LED
long_delay(1000); // Eine Sekunde warten...
}

return 0;
}
</c>

== avr-libc Versionen ab 1.6 ==

_delay_ms() kann mit einem Argument bis 6553,5 ms (= 6,5535 Sekunden) benutzt werden. Wird die früher gültige Grenze von 262,14 ms/F_CPU (in MHz) überschritten, so arbeitet _delay_ms() einfach etwas ungenauer und zählt nur noch mit einer Auflösung von 1/10 ms. Eine Verzögerung von 1000,10 ms ließe sich nicht mehr von einer von 1000,19 ms unterscheiden. Ein Verlust, der sich im Allgemeinen verschmerzen lässt. Dem Programmierer wird keine Rückmeldung gegeben, dass die Funktion ggf. gröber arbeitet, d.h. wenn es darauf ankommt, bitte den Parameter wie bisher geschickt wählen.

Die Funktion _delay_us() wurde ebenfalls erweitert. Wenn deren maximal als genau behandelbares Argument überschritten wird, benutzt diese intern _delay_ms(). Damit gelten in diesem Fall die _delay_ms() Einschränkungen.

Beispiel: Blinken einer LED an PORTB Pin PB0 im ca. 1s Rhythmus, avr-libc ab Version 1.6
<c>
#include <avr/io.h>
#ifndef F_CPU
/* Definiere F_CPU, wenn F_CPU nicht bereits vorher definiert
(z. B. durch Übergabe als Parameter zum Compiler innerhalb
des Makefiles). Zusätzlich Ausgabe einer Warnung, die auf die
"nachträgliche" Definition hinweist */
#warning "F_CPU war noch nicht definiert, wird nun mit 3686400 definiert"
#define F_CPU 3686400UL /* Quarz mit 3.6864 Mhz */
#endif
#include <util/delay.h>

int main( void )
{
DDRB = ( 1 << PB0 ); // PB0 an PORTB als Ausgang setzen

while( 1 ) { // Endlosschleife
PORTB ^= ( 1 << PB0 ); // Toggle PB0 z. B. angeschlossene LED
_delay_ms(1000); // Eine Sekunde +/-1/10000 Sekunde warten...
// funktioniert nicht mit Bibliotheken vor 1.6

}
return 0;
}
</c>

Die _delay_ms() und die _delay_us aus '''avr-libc 1.7.0''' sind fehlerhaft. _delay_ms () läuft 4x schneller als erwartet. Abhilfe ist eine korrigierte Includedatei: [http://www.mikrocontroller.net/topic/196738#1943039]

= Programmieren mit Interrupts =

<div style="float:right; margin:2em;">
[[Image:Interrupt Programme.gif]]
</div>
Nachdem wir nun alles Wissenswerte für die serielle Programmerstellung
gelernt haben nehmen wir jetzt ein völlig anderes Thema in Angriff, nämlich
die Programmierung unter Zuhilfenahme der Interrupts des AVR.

Als erstes wollen wir uns noch einmal den allgemeinen Programmablauf bei der
Interrupt-Programmierung zu Gemüte führen.

Man sieht, dass die Interruptroutine quasi parallel zum Hauptprogramm
abläuft. Da wir nur eine CPU haben ist es natürlich keine echte Parallelität,
sondern das Hauptprogramm wird beim Eintreffen eines Interrupts unterbrochen,
die Interruptroutine wird ausgeführt und danach erst wieder zum Hauptprogramm
zurückgekehrt.

Siehe auch

* [http://www.mikrocontroller.net/forum/read-1-235092.html#new Ausführlicher Thread im Forum]
* Artikel [[Interrupt]]
* Artikel [[Multitasking]]
{{Clear}}

== Anforderungen an Interrupt-Routinen ==

Um unliebsamen Überraschungen vorzubeugen, sollten einige Grundregeln bei der Implementierung der Interruptroutinen beachtet werden. Interruptroutinen sollten möglichst kurz und schnell abarbeitbar sein, daraus folgt:

* Keine umfangreichen Berechnungen innerhalb der Interruptroutine. (*)
* Keine langen Programmschleifen.
* Obwohl es möglich ist, während der Abarbeitung einer Interruptroutine andere oder sogar den gleichen Interrupt wieder zuzulassen, wird davon ohne genaue Kenntnis der internen Abläufe dringend abgeraten.

Interruptroutinen (ISRs) sollten also möglichst kurz sein und keine Schleifen mit vielen Durchläufen enthalten. Längere Operationen können meist in einen "Interrupt-Teil" in einer ISR und einen "Arbeitsteil" im Hauptprogramm aufgetrennt werden. Z.B. Speichern des Zustands aller Eingänge im EEPROM in bestimmten Zeitabständen: ISR-Teil: Zeitvergleich (Timer,RTC) mit Logzeit/-intervall. Bei Übereinstimmung ein globales Flag setzen (volatile bei Flag-Deklaration nicht vergessen, s.u.). Dann im Hauptprogramm prüfen, ob das Flag gesetzt ist. Wenn ja: die Daten im EEPROM ablegen und Flag löschen.

(*)
Hinweis:
Es gibt allerdings die seltene Situation, dass man gerade eingelesene
ADC-Werte sofort verarbeiten muss. Besonders dann, wenn man mehrere Werte sehr
schnell hintereinander bekommt. Dann bleibt einem nichts anderes übrig, als die
Werte noch in der ISR zu verarbeiten. Kommt aber sehr selten vor und sollte
durch geeignete Wahl des Systemtaktes bzw. Auswahl des Controllers vermieden werden!

== Interrupt-Quellen ==

Die folgenden Ereignisse können einen Interrupt auf einem AVR AT90S2313 auslösen, wobei die Reihenfolge der Auflistung auch die Priorität der Interrupts aufzeigt.

* Reset
* Externer Interrupt 0
* Externer Interrupt 1
* Timer/Counter 1 Capture Ereignis
* Timer/Counter 1 Compare Match
* Timer/Counter 1 Überlauf
* Timer/Counter 0 Überlauf
* UART Zeichen empfangen
* UART Datenregister leer
* UART Zeichen gesendet
* Analoger Komparator

Die Anzahl der möglichen Interruptquellen variiert zwischen den verschiedenen Microcontroller-Typen. Im Zweifel hilft ein Blick ins Datenblatt ("Interrupt Vectors").

== Register ==

Der AT90S2313 verfügt über 2 Register die mit den
Interrupts zusammen hängen.

{| class="wikitable"
|-
| '''GIMSK'''
| '''G'''eneral '''I'''nterrupt '''M'''ask '''R'''egister. 

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7 || 6|| 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| '''INT1''' || '''INT0''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-'''
|-
! R/W
| R/W || R/W || R || R || R || R || R || R
|-
! Initialwert
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0
|}

'''INT1''' (External '''Int'''errupt Request '''1''' Enable)
:Wenn dieses Bit gesetzt ist, wird ein Interrupt ausgelöst, wenn am '''INT1'''-Pin eine steigende oder fallende (je nach Konfiguration im '''MCUCR''') Flanke erkannt wird.
:Das Global Enable Interrupt Flag muss selbstverständlich auch gesetzt sein.
:Der Interrupt wird auch ausgelöst, wenn der Pin als Ausgang geschaltet ist. Auf diese Weise bietet sich die Möglichkeit, Software-Interrupts zu realisieren.

'''INT0''' (External '''Int'''errupt Request '''0''' Enable)
:Wenn dieses Bit gesetzt ist, wird ein Interrupt ausgelöst, wenn am '''INT0'''-Pin eine steigende oder fallende (je nach Konfiguration im '''MCUCR''') Flanke erkannt wird.
:Das Global Enable Interrupt Flag muss selbstverständlich auch gesetzt sein.
:Der Interrupt wird auch ausgelöst, wenn der Pin als Ausgang geschaltet ist. Auf diese Weise bietet sich die Möglichkeit, Software-Interrupts zu realisieren.

|-
| '''GIFR'''
| '''G'''eneral '''I'''nterrupt '''F'''lag '''R'''egister.

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7 || 6 || 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| '''INTF1''' || '''INTF0''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-'''
|-
! R/W
| R/W || R/W || R || R || R || R || R || R
|-
! Initialwert
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0
|}

'''INTF1''' (External '''Int'''errupt Flag '''1''')
:Dieses Bit wird gesetzt, wenn am '''INT1'''-Pin eine Interrupt-Kondition, entsprechend der Konfiguration, erkannt wird. Wenn das Global Enable Interrupt Flag gesetzt ist, wird die Interruptroutine angesprungen.
:Das Flag wird automatisch gelöscht, wenn die Interruptroutine beendet ist. Alternativ kann das Flag gelöscht werden, indem der Wert '''1(!)''' eingeschrieben wird.

'''INTF0''' (External '''Int'''errupt Flag '''0''')
:Dieses Bit wird gesetzt, wenn am '''INT0'''-Pin eine Interrupt-Kondition, entsprechend der Konfiguration, erkannt wird. Wenn das Global Enable Interrupt Flag gesetzt ist, wird die Interruptroutine angesprungen.
:Das Flag wird automatisch gelöscht, wenn die Interruptroutine beendet ist. Alternativ kann das Flag gelöscht werden, indem der Wert '''1(!)''' eingeschrieben wird.
|-
| '''MCUCR'''
| '''MCU''' '''C'''ontrol '''R'''egister.

Das MCU Control Register enthält Kontrollbits für allgemeine
MCU-Funktionen.

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7 || 6 || 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| '''-'''|| '''-'''|| '''SE'''|| '''SM'''|| '''ISC11'''|| '''ISC10'''|| '''ISC01'''|| '''ISC00'''
|-
! R/W
| R || R || R/W || R/W || R/W || R/W || R/W || R/W
|-
! Initialwert
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0

|}

'''SE''' ('''S'''leep '''E'''nable)
:Dieses Bit muss gesetzt sein, um den Controller mit dem '''SLEEP'''-Befehl in den Schlafzustand versetzen zu können.
:Um den Schlafmodus nicht irrtümlich einzuschalten, wird empfohlen, das Bit erst unmittelbar vor Ausführung des '''SLEEP'''-Befehls zu setzen.

'''SM''' ('''S'''leep '''M'''ode)
:Dieses Bit bestimmt der Schlafmodus.
:Ist das Bit gelöscht, so wird der '''Idle'''-Modus ausgeführt. Ist das Bit gesetzt, so wird der '''Power-Down'''-Modus ausgeführt. (für andere AVR Controller siehe Abschnitt "Sleep-Mode")

'''ISC11''', '''ISC10''' ('''I'''nterrupt '''S'''ense '''C'''ontrol '''1''' Bits)
:Diese beiden Bits bestimmen, ob die steigende oder die fallende Flanke für die Interrupterkennung am '''INT1'''-Pin ausgewertet wird.

:{| class="wikitable"
|-
! ISC11 || ISC10 || Bedeutung
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| Low Level an '''INT1''' erzeugt einen Interrupt.

Der Interrupt wird getriggert, solange der Pin auf 0 bleibt.
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| Reserviert
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| Die fallende Flanke an '''INT1''' erzeugt einen Interrupt.
|-
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| Die steigende Flanke an '''INT1''' erzeugt einen Interrupt.
|}

'''ISC01''', '''ISC00''' ('''I'''nterrupt '''S'''ense '''C'''ontrol '''0''' Bits)
:Diese beiden Bits bestimmen, ob die steigende oder die fallende Flanke für die Interrupterkennung am '''INT0'''-Pin ausgewertet wird.

:{| class="wikitable"
|-
! ISC01 || ISC00 || Bedeutung
|-
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| align="center" | 0
| Low Level an '''INT0''' erzeugt einen Interrupt.

Der Interrupt wird getriggert, solange der Pin auf 0 bleibt.
|-
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| Reserviert
|-
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| Die fallende Flanke an '''INT0''' erzeugt einen Interrupt.
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| Die steigende Flanke an '''INT0''' erzeugt einen Interrupt.
|}

|}

== Allgemeines über die Interrupt-Abarbeitung ==

Wenn ein Interrupt eintrifft, wird automatisch das '''Global Interrupt Enable''' Bit im Status Register '''SREG''' gelöscht und alle weiteren Interrupts unterbunden. Obwohl es möglich ist, zu diesem Zeitpunkt bereits wieder das GIE-bit zu setzen, wird dringend davon abgeraten. Dieses wird nämlich automatisch gesetzt, wenn die Interruptroutine beendet wird. Wenn in der Zwischenzeit weitere Interrupts eintreffen, werden die zugehörigen Interrupt-Bits gesetzt und die Interrupts bei Beendigung der laufenden Interrupt-Routine in der Reihenfolge ihrer Priorität ausgeführt. Dies kann
eigentlich nur dann zu Problemen führen, wenn ein hoch priorisierter Interrupt ständig und in kurzer Folge auftritt. Dieser sperrt dann möglicherweise alle anderen Interrupts mit niedrigerer Priorität. Dies ist einer der Gründe, weshalb die Interrupt-Routinen sehr kurz gehalten werden sollen.



== Interrupts mit dem AVR GCC Compiler (WinAVR) ==


Funktionen zur Interrupt-Verarbeitung werden in den Includedateien ''interrupt.h'' der avr-libc zur Verfügung gestellt (bei älterem Quellcode zusätzlich ''signal.h'').

<c>
// fuer sei(), cli() und ISR():
#include <avr/interrupt.h>
</c>

Das Makro '''sei()''' schaltet die Interrupts ein. Eigentlich wird nichts anderes gemacht, als das '''Global Interrupt Enable''' Bit im Status Register gesetzt.

<c>
sei();
</c>

Das Makro '''cli()''' schaltet die Interrupts aus, oder anders gesagt, das '''Global Interrupt Enable''' Bit im Status Register wird gelöscht.

<c>
cli();
</c>

Oft steht man vor der Aufgabe, dass eine Codesequenz nicht unterbrochen werden darf. Es liegt dann nahe, zu Beginn dieser Sequenz ein cli() und am Ende ein sei() einzufügen. Dies ist jedoch ungünstig, wenn die Interrupts vor Aufruf der Sequenz deaktiviert waren und danach auch weiterhin deaktiviert bleiben sollen. Ein sei() würde ungeachtet des vorherigen Zustands die Interrupts aktivieren, was zu unerwünschten Seiteneffekten führen kann. Die aus dem folgenden Beispiel ersichtliche Vorgehensweise ist in solchen Fällen vorzuziehen:

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <inttypes.h>

//...

void NichtUnterbrechenBitte(void)
{
uint8_t tmp_sreg; // temporaerer Speicher fuer das Statusregister

tmp_sreg = SREG; // Statusregister (also auch das I-Flag darin) sichern
cli(); // Interrupts global deaktivieren

/* hier "unterbrechnungsfreier" Code */

/* Beispiel Anfang
JTAG-Interface eines ATmega16 per Software deaktivieren
und damit die JTAG-Pins an PORTC für "general I/O" nutzbar machen
ohne die JTAG-Fuse-Bit zu aendern. Dazu ist eine "timed sequence"
einzuhalten (vgl Datenblatt ATmega16, Stand 10/04, S. 229):
Das JTD-Bit muss zweimal innerhalb von 4 Taktzyklen geschrieben
werden. Ein Interrupt zwischen den beiden Schreibzugriffen wuerde
die erforderliche Sequenz "brechen", das JTAG-Interface bliebe
weiterhin aktiv und die IO-Pins weiterhin für JTAG reserviert. */

MCUCSR |= (1<<JTD);
MCUCSR |= (1<<JTD); // 2 mal in Folge ,vgl. Datenblatt fuer mehr Information

/* Beispiel Ende */

SREG = tmp_sreg; // Status-Register wieder herstellen
// somit auch das I-Flag auf gesicherten Zustand setzen
}

void NichtSoGut(void)
{
cli();

/* hier "unterbrechnungsfreier" Code */

sei();
}

int main(void)
{
//...

cli();
// Interrupts global deaktiviert

NichtUnterbrechenBitte();
// auch nach Aufruf der Funktion deaktiviert

sei();
// Interrupts global aktiviert

NichtUnterbrechenBitte();
// weiterhin aktiviert
//...

/* Verdeutlichung der unguenstigen Vorgehensweise mit cli/sei: */
cli();
// Interrupts jetzt global deaktiviert

NichtSoGut();
// nach Aufruf der Funktion sind Interrupts global aktiviert
// dies ist mglw. ungewollt!
//...

}
</c>


Zu den aktivierten Interrupts ist eine Funktion zu programmieren, deren Code aufgerufen wird, wenn der betreffende Interrupt auftritt (Interrupt-Handler, Interrupt-Service-Routine). Dazu existiert die Definition (ein Makro) '''ISR'''.

=== ISR ===

(''ISR()'' ersetzt bei neueren Versionen der avr-libc ''SIGNAL()''. SIGNAL sollte nicht mehr genutzt werden, zur Portierung von SIGNAL nach ISR siehe den [[AVR-GCC-Tutorial#Anhang|Anhang]].)

<c>
#include <avr/interrupt.h>
//...
ISR(Vectorname) /* vormals: SIGNAL(siglabel) dabei Vectorname != siglabel ! */
{
/* Interrupt Code */
}
</c>

Mit ''ISR'' wird eine Funktion für die Bearbeitung eines Interrupts eingeleitet. Als Argument muss dabei die Benennung des entsprechenden Interruptvektors angegeben werden. Diese sind in den jeweiligen Includedateien IOxxxx.h zu finden. Die Bezeichnung entspricht dem Namen aus dem Datenblatt, bei dem die Leerzeichen durch Unterstriche ersetzt sind und ein ''_vect'' angehängt ist.

Als Beispiel ein Ausschnitt aus der Datei für den ATmega8 (bei WinAVR Standardinstallation in C:\WinAVR\avr\include\avr\iom8.h) in der neben den aktuellen Namen für ''ISR'' (*_vect) noch die Bezeichnungen für das inzwischen nicht mehr aktuelle ''SIGNAL'' (SIG_*) enthalten sind.

<c>
//...
/* $Id: iom8.h,v 1.13 2005/10/30 22:11:23 joerg_wunsch Exp $ */

/* avr/iom8.h - definitions for ATmega8 */
//...

/* Interrupt vectors */

/* External Interrupt Request 0 */
#define INT0_vect _VECTOR(1)
#define SIG_INTERRUPT0 _VECTOR(1)

/* External Interrupt Request 1 */
#define INT1_vect _VECTOR(2)
#define SIG_INTERRUPT1 _VECTOR(2)

/* Timer/Counter2 Compare Match */
#define TIMER2_COMP_vect _VECTOR(3)
#define SIG_OUTPUT_COMPARE2 _VECTOR(3)

/* Timer/Counter2 Overflow */
#define TIMER2_OVF_vect _VECTOR(4)
#define SIG_OVERFLOW2 _VECTOR(4)

/* Timer/Counter1 Capture Event */
#define TIMER1_CAPT_vect _VECTOR(5)
#define SIG_INPUT_CAPTURE1 _VECTOR(5)

/* Timer/Counter1 Compare Match A */
#define TIMER1_COMPA_vect _VECTOR(6)
#define SIG_OUTPUT_COMPARE1A _VECTOR(6)

/* Timer/Counter1 Compare Match B */
#define TIMER1_COMPB_vect _VECTOR(7)
#define SIG_OUTPUT_COMPARE1B _VECTOR(7)

//...
</c>


Mögliche Funktionsrümpfe für Interruptfunktionen sind zum Beispiel:

<c>
#include <avr/interrupt.h>
/* veraltet: #include <avr/signal.h> */

ISR(INT0_vect) /* veraltet: SIGNAL(SIG_INTERRUPT0) */
{
/* Interrupt Code */
}

ISR(TIMER0_OVF_vect) /* veraltet: SIGNAL(SIG_OVERFLOW0) */
{
/* Interrupt Code */
}

ISR(USART_RXC_vect) /* veraltet: SIGNAL(SIG_UART_RECV) */
{
/* Interrupt Code */
}

// und so weiter und so fort...
</c>

Auf die korrekte Schreibweise der Vektorbezeichnung ist zu achten. Der gcc-Compiler prüft erst ab Version 4.x, ob ein Signal/Interrupt der angegebenen Bezeichnung tatsächlich in der Includedatei definiert ist und gibt andernfalls eine Warnung aus. Bei WinAVR (ab 2/2005) wurde die Überprüfung auch in den mitgelieferten Compiler der Version 3.x integriert. Aus dem gcc-Quellcode Version 3.x selbst erstellte Compiler enthalten die Prüfung nicht (vgl. [[AVR-GCC]]).

Während der Ausführung der Funktion sind alle weiteren Interrupts automatisch gesperrt. Beim Verlassen der Funktion werden die Interrupts wieder zugelassen.

Sollte während der Abarbeitung der Interruptroutine ein weiterer Interrupt (gleiche oder andere Interruptquelle) auftreten, so wird das entsprechende Bit im zugeordneten Interrupt Flag Register gesetzt und die entsprechende Interruptroutine automatisch nach dem Beenden der aktuellen Funktion aufgerufen.

Ein Problem ergibt sich eigentlich nur dann, wenn während der Abarbeitung der aktuellen Interruptroutine mehrere gleichartige Interrupts auftreten. Die entsprechende Interruptroutine wird im Nachhinein zwar aufgerufen jedoch wissen wir nicht, ob nun der entsprechende Interrupt einmal, zweimal oder gar noch öfter aufgetreten ist. Deshalb soll hier noch einmal betont werden, dass Interruptroutinen so schnell wie nur irgend möglich wieder verlassen werden sollten.

=== Unterbrechbare Interruptroutinen ===

"Faustregel": im Zweifel '''ISR'''. Die nachfolgend beschriebene Methode nur dann verwenden, wenn man sich über die unterschiedliche Funktionsweise im Klaren ist.

<c>
#include <avr/interrupt.h>

ISR(XXX,ISR_NOBLOCK) /* veraltet: INTERRUPT(SIG_OVERFLOW0) */
{
/* Interrupt-Code */
}
</c>

Hierbei steht XXX für den oben beschriebenen Namen des Vektors (also z. B. ''TIMER0_OVF_vect''). Der Unterschied im Vergleich zu einer herkömmlichen ISR ist, dass hier beim Aufrufen der Funktion das '''Global Enable Interrupt''' Bit durch Einfügen einer SEI-Anweisung direkt wieder gesetzt und somit alle Interrupts zugelassen werden – auch XXX-Interrupts.

Bei unsachgemässer Handhabung kann dies zu erheblichen Problemen wie einem Stack-Overflow oder anderen unerwarteten Effekten führen und sollte wirklich nur dann eingesetzt werden, wenn man sich sicher ist, das Ganze auch im Griff zu haben.

Insbesondere sollte möglichst am ISR-Anfang die auslösende IRQ-Quelle deaktiviert und erst am Ende der ISR wieder aktiviert werden. Robuster als die Verwendung einer NOBLOCK-ISR ist daher folgender ISR-Aufbau:

<c>
#include <avr/interrupt.h>

ISR (XXX)
{
// Implementiere die ISR ohne zunaechst weitere IRQs zuzulassen

<<Dektiviere die XXX-IRQ>>

// Erlaube alle Interrupts (ausser XXX)
sei();

//... Code ...

// IRQs global deaktivieren um die XXX-IRQ wieder gefahrlos
// aktivieren zu koennen
cli();

<<Aktiviere die XXX-IRQ>>
}
</c>
Auf diese Weise kann sich die XXX-IRQ nicht selbst unterbrechen, was zu einer Art Endlosschleife führen würde.

Siehe auch: Hinweise in [[AVR-GCC]]

siehe dazu: http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__avr__interrupts.html

== Datenaustausch mit Interrupt-Routinen ==

Variablen, die sowohl in Interrupt-Routinen (ISR = Interrupt Service Routine(s)) als auch vom übrigen Programmcode geschrieben oder gelesen werden, müssen mit einem '''volatile''' deklariert werden. Damit wird dem Compiler mitgeteilt, dass der Inhalt der Variablen vor jedem Lesezugriff aus dem Speicher gelesen und nach jedem Schreibzugriff in den Speicher geschrieben wird. Ansonsten könnte der Compiler den Code so optimieren, dass der Wert der Variablen nur in Prozessorregistern zwischengespeichert wird, die nichts von der Änderung woanders mitbekommen.

Zur Veranschaulichung ein Codefragment für eine Tastenentprellung mit Erkennung einer "lange gedrückten" Taste.

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <stdint.h>
//...

// Schwellwerte
// Entprellung:
#define CNTDEBOUNCE 10
// "lange gedrueckt:"
#define CNTREPEAT 200

// hier z. B. Taste an Pin2 PortA "active low" = 0 wenn gedrueckt
#define KEY_PIN PINA
#define KEY_PINNO PA2

// beachte: volatile!
volatile uint8_t gKeyCounter;

// Timer-Compare Interrupt ISR, wird z.B. alle 10ms ausgefuehrt
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
// hier wird gKeyCounter veraendert. Die übrigen
// Programmteile müssen diese Aenderung "sehen":
// volatile -> aktuellen Wert immer in den Speicher schreiben
if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
if (gKeyCounter < CNTREPEAT) gKeyCounter++;
}
else {
gKeyCounter = 0;
}
}

//...

int main(void)
{
//...
/* hier: Initialisierung der Ports und des Timer-Interrupts */
//...
// hier wird auf gKeyCounter zugegriffen. Dazu muss der in der
// ISR geschriebene Wert bekannt sein:
// volatile -> aktuellen Wert immer aus dem Speicher lesen
if ( gKeyCounter > CNTDEBOUNCE ) { // Taste mind. 10*10 ms "prellfrei"
if (gKeyCounter == CNTREPEAT) {
/* hier: Code fuer "Taste lange gedrueckt" */
}
else {
/* hier: Code fuer "Taste kurz gedrueckt" */
}
}
//...
}
</c>

Wird innerhalb einer ISR mehrfach auf eine mit volatile deklarierte Variable zugegriffen, wirkt sich dies ungünstig auf die Verarbeitungsgeschwindigkeit aus, da bei jedem Zugriff mit dem Speicherinhalt abgeglichen wird. Da bei AVR-Controllern ''innerhalb'' einer ISR keine Unterbrechungen zu erwarten sind, bietet es sich an, einen Zwischenspeicher in Form einer lokalen Variable zu verwenden, deren Inhalt zu Beginn und am Ende mit dem der volatile Variable synchronisiert wird. Lokale Variable werden bei eingeschalteter Optimierung mit hoher Wahrscheinlichkeit in Prozessorregistern verwaltet und der Zugriff darauf ist daher nur mit wenigen internen Operationen verbunden. Die ISR aus dem vorherigen Beispiel lässt sich so optimieren:

<c>
//...
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
uint8_t tmp_kc;

tmp_kc = gKeyCounter; // Uebernahme in lokale Arbeitsvariable

if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
if (tmp_kc < CNTREPEAT) {
tmp_kc++;
}
}
else {
tmp_kc = 0;
}

gKeyCounter = tmp_kc; // Zurueckschreiben
}
//...
</c>

Zum Vergleich die Disassemblies (Ausschnitte der "lss-Dateien", compiliert für ATmega162) im Anschluss. Man erkennt den viermaligen Zugriff auf die Speicheraddresse von ''gKeyCounter'' (hier 0x032A) in der ISR ohne "Cache"-Variable und den zweimaligen Zugriff in der Variante mit Zwischenspeicher. Im Beispiel ist der Vorteil gering, bei komplexeren Routinen kann die Zwischenspeicherung in lokalen Variablen jedoch zu deutlicheren Verbesserungen führen.

<pre>
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
86a: 1f 92 push r1
86c: 0f 92 push r0
86e: 0f b6 in r0, 0x3f ; 63
870: 0f 92 push r0
872: 11 24 eor r1, r1
874: 8f 93 push r24
if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
876: ca 99 sbic 0x19, 2 ; 25
878: 0a c0 rjmp .+20 ; 0x88e <__vector_13+0x24>
if (gKeyCounter < CNTREPEAT) gKeyCounter++;
87a: 80 91 2a 03 lds r24, 0x032A
87e: 88 3c cpi r24, 0xC8 ; 200
880: 40 f4 brcc .+16 ; 0x892 <__vector_13+0x28>
882: 80 91 2a 03 lds r24, 0x032A
886: 8f 5f subi r24, 0xFF ; 255
888: 80 93 2a 03 sts 0x032A, r24
88c: 02 c0 rjmp .+4 ; 0x892 <__vector_13+0x28>
}
else {
gKeyCounter = 0;
88e: 10 92 2a 03 sts 0x032A, r1
892: 8f 91 pop r24
894: 0f 90 pop r0
896: 0f be out 0x3f, r0 ; 63
898: 0f 90 pop r0
89a: 1f 90 pop r1
89c: 18 95 reti
</pre>

<pre>
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
86a: 1f 92 push r1
86c: 0f 92 push r0
86e: 0f b6 in r0, 0x3f ; 63
870: 0f 92 push r0
872: 11 24 eor r1, r1
874: 8f 93 push r24
uint8_t tmp_kc;

tmp_kc = gKeyCounter;
876: 80 91 2a 03 lds r24, 0x032A

if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
87a: ca 9b sbis 0x19, 2 ; 25
87c: 02 c0 rjmp .+4 ; 0x882 <__vector_13+0x18>
87e: 80 e0 ldi r24, 0x00 ; 0
880: 03 c0 rjmp .+6 ; 0x888 <__vector_13+0x1e>
if (tmp_kc < CNTREPEAT) {
882: 88 3c cpi r24, 0xC8 ; 200
884: 08 f4 brcc .+2 ; 0x888 <__vector_13+0x1e>
tmp_kc++;
886: 8f 5f subi r24, 0xFF ; 255
}
}
else {
tmp_kc = 0;
}

gKeyCounter = tmp_kc;
888: 80 93 2a 03 sts 0x032A, r24
88c: 8f 91 pop r24
88e: 0f 90 pop r0
890: 0f be out 0x3f, r0 ; 63
892: 0f 90 pop r0
894: 1f 90 pop r1
896: 18 95 reti
</pre>

=== volatile und Pointer ===

Bei '''volatile''' in Verbindung mit Pointern ist zu beachten, ob der Pointer selbst oder die Variable, auf die der Pointer zeigt, '''volatile''' ist.

<c>
volatile uint8_t *a; // das Ziel von a ist volatile

uint8_t *volatile a; // a selbst ist volatile
</c>

Falls der Pointer volatile ist (zweiter Fall im Beispiel), ist zu beachten, dass der Wert des Pointers, also eine Speicheradresse, intern in mehr als einem Byte verwaltet wird. Lese- und Schreibzugriffe im Hauptprogramm (außerhalb von Interrupt-Routinen) sind daher so zu implementieren, dass alle Teilbytes der Adresse konsistent bleiben, vgl. dazu den folgenden Abschnitt.

=== Variablen größer 1 Byte ===

Bei Variablen größer ein Byte, auf die in Interrupt-Routinen und im Hauptprogramm zugegriffen wird, muss darauf geachtet werden, dass die Zugriffe auf die einzelnen Bytes außerhalb der ISR nicht durch einen Interrupt unterbrochen werden. (Allgemeinplatz: AVRs sind 8-bit Controller). Zur Veranschaulichung ein Codefragment:

<c>
//...
volatile uint16_t gMyCounter16bit;
//...
ISR(...)
{
//...
gMyCounter16Bit++;
//...
}

int main(void)
{
uint16_t tmpCnt;
//...
// nicht gut: Mglw. hier ein Fehler, wenn ein Byte von MyCounter
// schon in tmpCnt kopiert ist aber vor dem Kopieren des zweiten Bytes
// ein Interrupt auftritt, der den Inhalt von MyCounter verändert.
tmpCnt = gMyCounter16bit;

// besser: Änderungen "außerhalb" verhindern -> alle "Teilbytes"
// bleiben konsistent
cli(); // Interrupts deaktivieren
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
sei(); // wieder aktivieren

// oder: vorheriger Status des globalen Interrupt-Flags bleibt erhalten
uint8_t sreg_tmp;
sreg_tmp = SREG; /* Sichern */
cli()
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
SREG = sreg_tmp; /* Wiederherstellen */

// oder: mehrfach lesen, bis man konsistente Daten hat
uint16_t count1 = gMyCounter16Bit;
uint16_t count2 = gMyCounter16Bit;
while (count1 != count2) {
count1 = count2;
count2 = gMyCounter16Bit;
}
tmpCnt = count1;
//...
}
</c>

Die avr-libc bietet ab Version 1.6.0(?) einige Hilfsfunktionen/Makros, mit der im Beispiel oben gezeigten Funktionalität, die zusätzlich auch sogenannte [http://en.wikipedia.org/wiki/Memory_barrier memory barriers] beinhalten. Diese stehen nach #include <util/atomic.h> zur Verfügung.
<c>
//...
#include <util/atomic.h>
//...

// analog zu cli, Zugriff, sei:
ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_FORCEON) {
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
}

// oder:

// analog zu Sicherung des SREG, cli, Zugriff und Zurückschreiben des SREG:
ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_RESTORESTATE) {
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
}

//...
</c>

* siehe auch [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__util__atomic.html Dokumentation der avr-libc zu atomic.h]

== Interrupt-Routinen und Registerzugriffe ==

Falls Register sowohl im Hauptprogramm als auch in Interrupt-Routinen verändert werden, ist darauf zu achten, dass diese Zugriffe sich nicht überlappen. Nur wenige Anweisungen lassen sich in sogenannte "atomare" Zugriffe übersetzen, die nicht von Interrupt-Routinen unterbrochen werden können.

Zur Veranschaulichung eine Anweisung, bei der ein Bit und im Anschluss drei Bits in einem Register gesetzt werden:

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

int main(void)
{
//...
PORTA |= (1<<PA0);

PORTA |= (1<<PA2)|(1<<PA3)|(1<<PA4);
//...
}
</c>

Der Compiler übersetzt diese Anweisungen für einen ATmega128 bei Optimierungsstufe "S" nach:

<div class="code"><pre>
...
PORTA |= (1<<PA0);
d2: d8 9a sbi 0x1b, 0 ; 27 (a)

PORTA |= (1<<PA2)|(1<<PA3)|(1<<PA4);
d4: 8b b3 in r24, 0x1b ; 27 (b)
d6: 8c 61 ori r24, 0x1C ; 28 (c)
d8: 8b bb out 0x1b, r24 ; 27 (d)
...
</pre></div>

Das Setzen des einzelnen Bits wird bei eingeschalteter Optimierung für Register im unteren Speicherbereich in eine einzige Assembler-Anweisung (sbi) übersetzt und ist nicht anfällig für Unterbrechungen durch Interrupts. Die Anweisung zum Setzen von drei Bits wird jedoch in drei abhängige Assembler-Anweisungen übersetzt und bietet damit zwei "Angriffspunkte" für Unterbrechungen. Eine Interrupt-Routine könnte nach dem Laden des Ausgangszustands in den Zwischenspeicher (hier Register 24) den Wert des Registers ändern, z. B. ein Bit löschen. Damit würde der Zwischenspeicher nicht mehr mit dem tatsächlichen Zustand übereinstimmen aber dennoch nach der Bitoperation (hier ori) in das Register zurückgeschrieben.

Beispiel: PORTA sei anfangs 0b00000000. Die erste Anweisung (a) setzt Bit 0, PORTA ist danach 0b00000001. Nun wird im ersten Teil der zweiten Anweisung der Portzustand in ein Register eingelesen (b). Unmittelbar darauf (vor (c)) "feuert" ein Interrupt, in dessen Interrupt-Routine Bit 0 von PORTA gelöscht wird. Nach Verlassen der Interrupt-Routine hat PORTA den Wert 0b00000000. In den beiden noch folgenden Anweisungen des Hauptprogramms wird nun der zwischengespeicherte "alte" Zustand 0b00000001 mit 0b00011100 logisch-oder-verknüft (c) und das Ergebnis 0b00011101 in PortA geschrieben (d). Obwohl zwischenzeitlich Bit 0 gelöscht wurde, ist es nach (d) wieder gesetzt.

Lösungsmöglichkeiten:
* Register ohne besondere Vorkehrungen nicht in Interruptroutinen ''und'' im Hauptprogramm verändern.
* Interrupts vor Veränderungen in Registern, die auch in ISRs verändert werden, deaktivieren ("cli").
* Bits einzeln löschen oder setzen. sbi und cbi können nicht unterbrochen werden. Vorsicht: nur Register im unteren Speicherbereich sind mittels sbi/cbi ansprechbar. Der Compiler kann nur für diese sbi/cbi-Anweisungen generieren. Für Register außerhalb dieses Adressbereichs ("Memory-Mapped"-Register) werden auch zur Manipulation einzelner Bits abhängige Anweisungen erzeugt (lds,...,sts).

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Frequently asked Questions/Fragen Nr. 1 und 8. (Stand: avr-libc Vers. 1.0.4)

== Interruptflags löschen ==

Beim Löschen von Interruptflags haben AVRs eine Besonderheit, die auch im Datenblatt beschrieben ist: Es wird zum Löschen eine 1 in das betreffende Bit geschrieben.

Hinweis: Dazu '''nicht''' übliche bitweise VerODERung nehmen, sondern eine direkte Zuweisung machen ([http://www.mikrocontroller.net/topic/171148#1640133 Erklärung]).

== Was macht das Hauptprogramm? ==

Im einfachsten (Ausnahme-)Fall gar nichts mehr. Es ist also durchaus denkbar, ein Programm zu schreiben, welches in der main-Funktion lediglich noch die Interrupts aktiviert und dann in einer Endlosschleife verharrt. Sämtliche Funktionen werden dann in den ISRs abgearbeitet. Diese Vorgehensweise ist jedoch bei den meisten Anwendungen schlecht: man verschenkt eine Verarbeitungsebene und hat außerdem möglicherweise Probleme durch Interruptroutinen, die zu viel Verarbeitungszeit benötigen.

Normalerweise wird man in den Interruptroutinen nur die bei Auftreten des jeweiligen Interruptereignisses unbedingt notwendigen Operationen ausführen lassen. Alle weniger kritischen Aufgaben werden dann im Hauptprogramm abgearbeitet.

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Interrupts and Signals

= Sleep-Modes =

AVR Controller verfügen über eine Reihe von sogenannten [[Sleep Mode |''Sleep-Modes'']] ("Schlaf-Modi"). Diese ermöglichen es, Teile des Controllers abzuschalten. Zum Einen kann damit besonders bei Batteriebetrieb Strom gespart werden, zum Anderen können Komponenten des Controllers deaktiviert werden, die die Genauigkeit des Analog-Digital-Wandlers bzw. des Analog-Comparators negativ beeinflussen. Der Controller wird durch Interrupts aus dem Schlaf geweckt. Welche Interrupts den jeweiligen Schlafmodus beenden, ist einer Tabelle im Datenblatt des jeweiligen Controllers zu entnehmen.
Die Funktionen (eigentlich Makros) der avr-libc stehen nach Einbinden der header-Datei ''sleep.h'' zur Verfügung.

;set_sleep_mode (uint8_t mode): Setzt den Schlafmodus, der bei Aufruf von sleep() aktiviert wird. In sleep.h sind einige Konstanten definiert (z. B. SLEEP_MODE_PWR_DOWN). Die definierten Modi werden jedoch nicht alle von sämtlichten AVR-Controllern unterstützt.
;sleep_enable(): Aktiviert den gesetzten Schlafmodus, versetzt den Controller aber noch nicht in den Schlafmodus
;sleep_cpu(): Versetzt den Controller in den Schlafmodus .sleep_cpu wird im Prinzip durch die Assembler-Anweisung ''sleep'' ersetzt.
;sleep_disable(): Deaktiviert den gesetzten Schlafmodus
;sleep_mode(): Versetzt den Controller in den mit set_sleep_mode gewählten Schlafmodus. Das Makro entspricht sleep_enable()+sleep_cpu()+sleep_disable(), beinhaltet also nicht die Aktivierung von Interrupts (besser nicht benutzen).

Bei Anwendung von sleep_cpu() müssen Interrupts also bereits freigeben sein (sei()), da der Controller sonst nicht mehr "aufwachen" kann. sleep_mode() ist nicht geeignet für die Verwendung in ISR Interrupt-Service-Routinen, da bei deren Abarbeitung Interrupts global deaktiviert sind und somit auch die möglichen "Aufwachinterrupts". Abhilfe: stattdessen sleep_enable(), sei(), sleep_cpu(), sleep_disable() und evtl. cli() verwenden (vgl. Dokumentation der avr-libc).

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/sleep.h>

int main(void)
{
...

while (1) {
...
set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);
sleep_mode();

// Code hier wird erst nach Auftreten eines entsprechenden
// "Aufwach-Interrupts" verarbeitet
...
}
}
</c>

In älteren Versionenen der avr-libc wurden nicht alle AVR-Controller durch die sleep-Funktionen richtig angesteuert. Mit avr-libc 1.2.0 wurde die Anzahl der unterstützten Typen jedoch deutlich erweitert. Bei nicht-unterstützten Typen erreicht man die gewünschte Funktionalität durch direkte "[[Bitmanipulation]]" der entsprechenden Register (vgl. Datenblatt) und Aufruf des Sleep-Befehls via Inline-Assembler oder sleep_cpu():

<c>
#include <avr/io.h>
...
// Sleep-Mode "Power-Save" beim ATmega169 "manuell" aktivieren
SMCR = (3<<SM0) | (1<<SE);
asm volatile ("sleep"::); // alternativ sleep_cpu() aus sleep.h
...
</c>

== Sleep Modi ==
Zu beachten ist, dass unterschiedliche Prozessoren aus der AVR Familie unterschiedliche Sleep-Modi unterstützen oder nicht unterstützen. Auskunft über die tatsächlichen Gegebenheiten gibt, wie immer, das zum Prozessor gehörende Datenblatt. Die unterschiedlichen Modi unterscheiden sich dadurch, welche Bereiche des Prozessors abgeschaltet werden. Damit korrespondiert unmittelbar welche Möglichkeiten es gibt, den Prozessor aus den jeweiligen Sleep Modus wieder aufzuwecken.

;Idle Mode (SLEEP_MODE_IDLE): Die CPU kann durch SPI, USART, Analog Comperator, ADC, TWI, Timer, Watchdog und irgendeinen anderen Interrupt wieder aufgeweckt werden.

;ADC Noise Reduction Mode (SLEEP_MODE_ADC): In diesem Modus liegt das Hauptaugenmerk darauf, die CPU soweit stillzulegen, dass der ADC möglichst keine Störungen aus dem inneren der CPU auffangen kann. Aufwachen aus diesem Modus kann ausgelöst werden durch den ADC, externe Interrupts, TWI, Timer und Watchdog.

;Power-Down Mode (SLEEP_MODE_PWR_DOWN): In diesem Modus wird ein externer Oszillator (Quarz, Quarzoszillator) gestoppt. Geweckt werden kann die CPU durch einen externen Level Interrupt, TWI, Watchdog, Brown-Out-Reset

;Power-Save-Mode (SLEEP_MODE_PWR_SAVE): Power-Save ist identisch zu Power-Down mit einer Ausnahme: Ist der Timer 2 auf die Verwendung eines externen Taktes konfiguriert, so läuft dieser Timer auch im Power-Save weiter und kann die CPU mit einem Interrupt aufwecken.

;Standby-Mode (SLEEP_MODE_STANDBY, SLEEP_MODE_EXT_STANDBY): Voraussetzung für den Standby-Modus ist die Verwendung eines Quarzes oder eines Quarzoszillators (also einer externen Taktquelle). Ansonsten ist dieser Modus identisch zum Power-Down Modus. Vorteil dieses Modus ist eine kürzere Aufwachzeit.

Siehe auch:
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Power Management and Sleep-Modes
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/96369#832712 Forenbeitrag] zur "Nichtverwendung" von sleep_mode in ISRs.

= Zeiger =
Zeiger (engl. /pointer/), d.h. Variablen, die die Adresse von Daten oder Funktionen enthalten, belegen 16 bits. Das hängt mit dem addressierbaren Speicherbereich zusammen, und gcc reserviert dann den entsprechenden Platz.
Ggf. ist es also günstiger, Indizes auf Arrays (Listen) zu verwenden, so dass der GCC für die Zeigerarithmetik den erforderlichen RAM nur temporär benötigt.

Siehe auch: [[Zeiger]]

= Speicherzugriffe =

Atmel AVR-Controller verfügen typisch über drei Speicher:

* [[RAM]]: Im RAM (genauer statisches RAM/SRAM) wird vom gcc-Compiler Platz für Variablen reserviert. Auch der Stack befindet sich im RAM. Dieser Speicher ist "flüchtig", d.h. der Inhalt der Variablen geht beim Ausschalten oder einem Zusammenbruch der Spannungsversorgung verloren.

* Programmspeicher: Ausgeführt als FLASH-Speicher, seitenweise wiederbeschreibbar. Darin ist das Anwendungsprogramm abgelegt.

* [[EEPROM]]: Nichtflüchtiger Speicher, d.h. der einmal geschriebene Inhalt bleibt auch ohne Stromversorgung erhalten. Byte-weise schreib/lesbar. Im EEPROM werden typischerweise gerätespezifische Werte wie z. B. Kalibrierungswerte von Sensoren abgelegt.

Einige AVRs besitzen keinen RAM-Speicher, lediglich die Register können als "Arbeitsvariablen"
genutzt werden. Da die Anwendung des avr-gcc auf solch "kleinen" Controllern ohnehin selten sinnvoll ist und auch nur bei einigen RAM-losen Typen nach [http://lightner.net/avr/ATtinyAvrGcc.html "Bastelarbeiten"] möglich ist, werden diese Controller hier nicht weiter berücksichtigt. Auch EEPROM-Speicher ist nicht auf allen Typen verfügbar. Generell sollten die nachfolgenden Erläuterungen auf alle ATmega-Controller und die größeren AT90-Typen übertragbar sein. Für die Typen ATtiny2313, ATtiny26 und viele weitere der "ATtiny-Reihe" gelten die Ausführungen ebenfalls.

Siehe auch:
* [[Binäre Daten zum Programm hinzufügen]]
== RAM ==

Die Verwaltung des RAM-Speichers erfolgt durch den Compiler, im Regelfall ist beim Zugriff auf Variablen im RAM nichts Besonderes zu beachten. Die Erläuterungen in jedem brauchbaren C-Buch gelten auch für den vom avr-gcc-Compiler erzeugten Code.

Um Speicher dynamisch (während der Laufzeit) zu reservieren, kann '''malloc()''' verwendet werden. malloc(size) "alloziert" (~reserviert) einen gewissen Speicherblock mit '''size''' Bytes. Ist kein Platz für den neuen Block, wird NULL (0) zurückgegeben.

Wird der angelegte Block zu klein (groß), kann die Größe mit realloc() verändert werden. Den allozierten Speicherbereich kann man mit free() wieder freigeben. Wenn das Freigeben eines Blocks vergessen wird spricht man von einem "Speicherleck" (memory leak).

malloc() legt Speicherblöcke im '''Heap''' an, belegt man zuviel Platz, dann wächst der Heap zu weit nach oben und überschreibt den Stack, und der Controller kommt in Teufels Küche. Das kann leider nicht nur passieren wenn man insgesamt zu viel Speicher anfordert, sondern auch wenn man Blöcke unterschiedlicher Größe in ungünstiger Reihenfolge alloziert/freigibt (siehe Artikel [[Heap-Fragmentierung]]). Aus diesem Grund sollte man malloc() auf Mikrocontrollern sehr sparsam (am besten gar nicht) verwenden.

Beispiel zur Verwendung von malloc():
<c>
#include <stdlib.h>

void foo(void) {
// neuen speicherbereich anlegen,
// platz für 10 uint16
uint16_t* pBuffer = malloc(10 * sizeof(uint16_t));

// darauf zugreifen, als wärs ein gewohnter Buffer
pBuffer[2] = 5;

// Speicher (unbedingt!) wieder freigeben
free(pBuffer);
}
</c>

Wenn (wie in obigem Beispiel) dynamischer Speicher nur für die Dauer einer Funktion benötigt und am Ende wieder freigegeben wird, bietet es sich an, statt malloc() '''alloca()''' zu verwenden. Der Unterschied zu malloc() ist, dass der Speicher auf dem Stack reserviert wird, und beim Verlassen der Funktion automatisch wieder freigegeben wird. Es kann somit kein Speicherleck und keine Fragmentierung entstehen.

siehe auch:
* http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/malloc.html

== Programmspeicher (Flash) ==

Ein Zugriff auf Konstanten im Programmspeicher ist mittels avr-gcc nicht "transparent" möglich. D.h. es sind besondere Zugriffsfunktionen erforderlich, um Daten aus diesem Speicher zu lesen. Grundsätzlich basieren alle Zugriffsfunktionen auf der Assembler-Anweisung lpm (load program memory, bei AVR Controllern mit mehr als 64kB Flash auch elpm). Die Standard-Laufzeitbibliothek des avr-gcc (die avr-libc) stellt diese Funktionen nach Einbinden der Header-Datei pgmspace.h zur Verfügung. Mit diesen Funktionen können einzelne Bytes, Datenworte (16bit) und Datenblöcke gelesen werden.

Deklarationen von Variablen im Flash-Speicher werden durch das "Attribut" PROGMEM ergänzt. Lokale Variablen (eigentlich Konstanten) innerhalb von Funktionen können ebenfalls im Programmspeicher abgelegt werden. Dazu ist bei der Definition jedoch ein ''static'' voranzustellen, da solche "Variablen" nicht auf dem Stack bzw. (bei Optimierung) in Registern verwaltet werden können. Der Compiler "wirft" eine Warnung falls static fehlt.

<c>
#include <stdint.h>
#include <avr/pgmspace.h>

/* Byte */
const uint8_t pgmFooByte PROGMEM = 123;

/* Wort */
const uint16_t pgmFooWort PROGMEM = 12345;

/* Byte-Array */
const uint8_t pgmFooByteArray1[] PROGMEM = { 18, 3 ,70 };
const uint8_t pgmFooByteArray2[] PROGMEM = { 30, 7 ,79 };

/* Zeiger */
const uint8_t * const pgmPointerToArray1 PROGMEM = pgmFooByteArray1;
const uint8_t * const pgmPointerArray[] PROGMEM = { pgmFooByteArray1, pgmFooByteArray2 };

void foo(void)
{
static const uint8_t pgmTestByteLocal PROGMEM = 0x55;
static const char pgmTestStringLocal[] PROGMEM = "im Flash";
// so nicht (static fehlt)
// char pgmTestStringLocalFalsch [] PROGMEM = "so nicht";
}
</c>

=== Byte lesen ===

Mit der Funktion pgm_read_byte aus pgmspace.h erfolgt der Zugriff auf die Daten. Parameter der Funktion ist die Adresse des Bytes im Flash-Speicher.

<c>
#include <avr/pgmspace.h>

const uint8_t pgmFooByte PROGMEM = 123;
const uint8_t pgmFooByteArray1[] PROGMEM = { 18, 3, 70 };

void foo (coid)
// Wert der Ram-Variablen myByte auf den Wert von pgmFooByte setzen:
uint8_t myByte;

myByte = pgm_read_byte (&pgmFooByte);
// myByte hat nun den Wert 123

// Schleife ueber ein Array aus Byte-Werten im Flash
uint8_t i;

for (i = 0; i < 3; i++)
{
myByte = pgm_read_byte (&pgmFooByteArray1[i]);
// mach was mit myByte
}
</c>

=== Wort lesen ===

Für "einfache" 16-Bit breite Variablen erfolgt der Zugriff analog zum Byte-Beispiel, jedoch mit der Funktion <code>pgm_read_word</code>:

<c>
const uint16_t pgmFooWort PROGMEM = 12345;

uint16_t myWord = pgm_read_word (&pgmFooWort);
</c>

Zeiger auf Werte im Flash sind ebenfalls 16 Bits "groß".
Damit ist der mögliche Speicherbereich für "Flash-Konstanten" auf 64kB begrenzt.<ref>Einige avr-libc/pgmspace-Funktionen ermöglichen den Lesezugriff auf den gesamten Flash-Speicher, intern via Assembler Anweisung ELPM. Die Initialisierungswerte des Speicherinhalts jenseits der 64kB-Marke müssen dann jedoch auf anderem Weg angelegt werden, d.h. nicht per PROGMEM; evtl. eigene Section und Linker-Optionen. Alt und nicht ganz korrekt: Die avr-libc pgmspace-Funktionen unterstützen nur die unteren 64kB Flash bei Controllern mit mehr als 64kB.</ref>

<c>
const uint8_t *ptrToArray;

ptrToArray = (const uint8_t*) pgm_read_word (&pgmPointerToArray1);
// ptrToArray enthält nun die Startadresse des Byte-Arrays pgmFooByteArray1
// Allerdings würde ein direkter Zugriff mit diesem Pointer (z. B. temp=*ptrToArray)
// nicht den Inhalt von pgmFooByteArray1[0] liefern, sondern von einer Speicherstelle
// im RAM, die die gleiche Adresse hat wie pgmFooByteArray1[0]
// Daher muss nun die Funktion pgm_read_byte() benutzt werden, die die in ptrToArray
// enthaltene Adresse benutzt und auf das Flash zugreift.

for (i = 0; i < 3; i++)
{
myByte = pgm_read_byte (ptrToArray+i);
// mach was mit myByte... (18, 3, 70)
}

ptrToArray = (const uint8_t*) pgm_read_word (&pgmPointerArray[1]);

// ptrToArray enthält nun die Adresse des ersten Elements des Byte-Arrays pgmFooByteArray2
// da im zweiten Element des Pointer-Arrays pgmPointerArray die Adresse
// von pgmFooByteArray2 abgelegt ist

for (i = 0; i < 3; i++)
{
myByte = pgm_read_byte (ptrToArray+i);
// mach was mit myByte... (30, 7, 79)
}
</c>

=== Block lesen ===
In den Standard-Flash Funktionen ist keine der pgm_read_xxxx Nomenklatur folgenden Funktion enthalten, die einen kompletten Block ausliest. Die enstprechende Funktion ist eine Variante von memcpy und heißt memcpy_P().

Was diese Funktion im Prinzip macht, ist einfach in einer Schleife pgm_read_byte zu benutzen, um einen Speicherblock von der Quelladresse im Flash an eine Zieladresse im SRAM zu kopieren.

<c>
void pgm_read_block( uint8_t* pTarget, const uint8_t* pSource, size_t len )
{
size_t i;

for( i = 0; i < len; ++i )
*pTarget++ = pgm_read_byte( pSource++ );
}
</c>

Damit ist es dann natürlich kein Problem mehr ganze Arrays oder Strukturen aus dem Flash in das SRAM zu übertragen.

=== Strings lesen ===
Strings sind in C nichts anderes als eine Abfolge von Zeichen. Der prinzipielle Weg ist daher identisch zu "Bytes lesen", wobei allerdings auf die [http://www.mikrocontroller.net/articles/FAQ#Wie_funktioniert_String-Verarbeitung_in_C.3F Besonderheiten von Strings] wie 0-Terminierung geachtet werden muss, bzw. diese zur Steuerung einer Schleife über die Zeichen im String ausgenutzt werden kann

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/pgmspace.h>

const char pgmString[] PROGMEM = "Hello world";

int main()
{
char c;
const char* addr;

addr = pgmString;
while (c = pgm_read_byte (addr++), c != '\0')
{
// mach was mit c
}
}
</c>

Zur Unterstützung des Programmierers steht das Repertoir der str-Funktionen auch in jeweils eine Variante zur Verfügung, die mit dem Flash-Speicher arbeiten kann. Die Funktionsnamen tragen den Suffix <tt>_P</tt>.

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/pgmspace.h>

const char pgmString[] PROGMEM = "Hallo world";

void foo (void)
{
char string[40];

strcpy_P (string, pgmString);
}
</c>

=== Float lesen ===

Auch um floats zu lesen gibt es ein Makro:

<c>
float pgmFloatArray[3] PROGMEM = {1.1, 2.2, 3.3};

void read_float (void)
{
int i;
float f;

for (i=0; i<3; i++)
{
// entspricht f = pgmFloatArray[i];
f = pgm_read_float (&pgmFloatArray[i]);
// mach was mit f
}
}
</c>

TODO: Beispiele für structs und pointer aus Flash auf struct im Flash (menues, state-machines etc.). Eine kleine Einleitung insbesondere auch in Bezug auf die auftretenden Schwierigkeiten liefert [http://www.mail-archive.com/avr-gcc-list@nongnu.org/msg05652.html].

=== Array aus Strings im Flash-Speicher ===

Arrays aus Strings im Flash-Speicher werden in zwei Schritten angelegt: Zuerst die einzelnen Elemente des Arrays und im Anschluss ein Array, in dem die Startaddressen der Strings abgelegt werden. Zum Auslesen wird zuerst die Adresse des i-ten Elements aus dem Array im Flash-Speicher gelesen, die im Anschluss dazu genutzt wird, auf das Element (den String) selbst zuzugreifen.

<c>
#include <stdint.h>
#include <avr/pgmspace.h>

const char str1[] PROGMEM = "first_A";
const char str2[] PROGMEM = "second_A";
const char str3[] PROGMEM = "third_A";

const char * const strarray1[] PROGMEM =
{
str1,
str2,
str3
};

static char work[20];

void read_strings (void)
{
size_t i;

for (i = 0; i < sizeof (strarray1) / sizeof (strarray1[0]); i++)
{
size_t j, len;

// setze Pointer auf die Addresse des i-ten Elements des
// Flash-Arrays (str1, str2, ...)
const char *pstrflash = (const char*) pgm_read_word (&strarray1[i]);

// kopiere den Inhalt der Zeichenkette von der
// in pstrflash abgelegten Adresse in das work-Array
// analog zu strcpy( work, strarray1[i]) wenn alles im RAM
strcpy_P (work, pstrflash);

// Gleichbedeutend damit:
strcpy_P (work, (const char*) pgm_read_word (&strarray1[i]));

// Zeichen-fuer-Zeichen
len = strlen_P (&strarray1[i]);

// <= da auch das Stringende-Zeichen kopiert werden soll
for (j = 0; j <= len; j++)
{
// analog zu work[j] = strarray[i][j] wenn alles im RAM
work[i] = (char) pgm_read_byte (pstrflash++);
}
}
}
</c>

Siehe dazu auch die avr-libc FAQ: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/FAQ.html#faq_rom_array How do I put an array of strings completely in ROM?]

=== Vereinfachung für Zeichenketten (Strings) im Flash ===

Zeichenketten können innerhalb des Quellcodes als "Flash-Konstanten" ausgewiesen werden. Dazu dient das Makro PSTR aus pgmspace.h. Dies erspart die getrennte Deklaration mit PROGMEM-Attribut.

<c>
#include <string.h>
#include <avr/pgmspace.h>

#define MAXLEN 30

char StringImFlash[] PROGMEM = "Erwin Lindemann";
char StringImRam[MAXLEN];

void read_string (void)
{
strcpy (StringImRam, "Mueller-Luedenscheidt");

if (!strncmp_P (StringImRam, StringImFlash, 5))
{
// mach was, wenn die ersten 5 Zeichen identisch - hier nicht
}
else
{
// der Code hier wuerde ausgefuehrt
}

if (!strncmp_P (StringImRam, PSTR("Mueller-Schmitt"), 5))
{
// der Code hier wird ausgefuehrt, wenn die ersten
// 5 Zeichen uebereinstimmen
}
else
{
// wird bei Nicht-Uebereinstimmung ausgefuehrt
}
}
</c>

Aber Vorsicht: Ersetzt man zum Beispiel
<c>
// Daten im "Flash"
const char flashText[] PROGMEM = "mit[]";
</c>
durch
<c>
// Hier wird "mit*" im RAM angelegt und flashPointer
// enthaelt die Adresse
const char* const flashPointer PROGMEM = "mit*";
</c>
dann kann es zu Problemen kommen.

Übergibt man Zeichenketten, die im Flash abglegt sind an eine Funktion – also die Adresse des ersten Zeichens – so muss die Funktion entsprechend programmiert sein. Die Funktion selbst hat keine Möglichkeit zu unterscheiden, ob es sich um eine Flash-Adresse oder ein RAM-Adresse handelt. Die avr-libc und viele andere avr-gcc-Bibliotheken halten sich an die Konvention, dass Namen von Funktionen, die Flash-Adressen erwarten, mit dem Suffix <code>_P</code> versehen sind.

Eine Funktion, die einen im Flash abgelegten String z. B. an eine UART ausgibt, würde dann so aussehen:

<c>
void uart_puts_p (const char *text)
{
char zeichen;

while ((zeichen = pgm_read_byte (text)))
{
// so lange, wie mittels pgm_read_byte nicht das Stringende
// gelesen wurde: gib dieses Zeichen aus

uart_putc (Zeichen);
text++;
}
}
</c>

Von einigen Bibliotheken werden Makros definiert, die "automatisch" ein PSTR bei Verwendung einer Funktion einfügen. Ein Blick in den Header-File der Bibliothek zeigt, ob dies der Fall ist. Ein Beispiel aus P. Fleurys lcd-Library:

<c>
// Ausschnitt aus dem Header-File lcd.h der "Fleury-LCD-Lib."
extern void lcd_puts_p (const char *progmem_s);
#define lcd_puts_P(__s) lcd_puts_p(PSTR(__s))

// in einer Anwendung
#include <avr/pgmspace.h>
#include <string.h>
#include "lcd.h"

const char StringImFlash[] PROGMEM = "Erwin Lindemann";

void my_write (coid)
{
lcd_puts_p (StringImFlash);
lcd_puts_P ("Dr. Kloebner");
}</c>

=== Flash in der Anwendung schreiben ===

Bei AVRs mit "self-programming"-Option – auch bekannt als [[Bootloader]]-Support – können Teile des Flash-Speichers vom Anwendungsprogramm beschrieben werden. Dies ist nur möglich, wenn die Schreibfunktion in einem besonderen Speicherbereich, der boot-section des Programmspeichers/Flash, abgelegt ist.

Bei einigen kleinen AVRs gibt es keine gesonderte Boot-Section, bei diesen kann der Flashspeicher von jeder Stelle des Programms geschrieben werden. Für Details sei hier auf das jeweilige Controller-Datenblatt und die Erläuterungen zum Modul boot.h der avr-libc verwiesen. Es existieren auch Application-Notes dazu bei atmel.com, die auf avr-gcc-Code übertragbar sind.

Siehe auch:
* Forumsbeitrag [http://www.mikrocontroller.net/topic/163632#1561622 Daten in Programmspeicher speichern]

=== Warum so kompliziert? ===

Zu dem Thema, warum die Verabeitung von Werten aus dem Flash-Speicher so kompliziert ist, sei hier nur kurz erläutert: Die Harvard-Architektur des AVR weist getrennte Adressräume für Programm(Flash)- und Datenspeicher(RAM) auf. Der C-Standard und der gcc-Compiler sehen keine unterschiedlichen Adressräume vor.

Hat man zum Beispiel eine Funktion string_an_uart(const char* s) und übergibt an diese Funktion die Adresse einer Zeichenkette, z. B. 0x01fe, weiß die Funktion nicht, ob die Adresse auf den Flash-Speicher oder den/das RAM zeigt. Allein aus dem Pointer-Wert, also dem Zahlenwert, kann nicht auf den Ort der Ablage geschlossen werden.

Einige AVR-Compiler bilden die Harvard-Architektur ab, indem sie in einen Pointer nicht nur die Adresse speichern, sondern auch den Ablageort wie ''Flash'' oder ''RAM''. In einem Aufruf einer Funktion wird dann bei Pointer-Parametern neben der Adresse auch der Speicherbereich, auf den der Pointer zeigt, übergeben. Dies hat jedoch auch Nachteile, denn bei jeden Zugriff über einen Zeiger muss zur ''Laufzeit'' entschieden werden, wie der Zugriff auszuführen ist und entsprechend länglicher und langsamer kann Code ausgeführt werden.

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitte Modules/Program Space String Utilities und Abschnitt Modules/Bootloader Support Utilities

== EEPROM ==

Man beachte, dass der EEPROM-Speicher nur eine begrenzte Anzahl von Schreibzugriffen zulässt. Beschreibt man eine EEPROM-Zelle öfter als die im Datenblatt zugesicherte Anzahl (typisch 100.000), wird die Funktion der Zelle nicht mehr garantiert.
Dies gilt für jede einzelne Zelle. Bei geschickter Programmierung (z. B. Ring-Puffer), bei der die zu beschreibenden Zellen regelmäßig gewechselt werden, kann man eine deutlich höhere Anzahl an Schreibzugriffen, bezogen auf den Gesamtspeicher, erreichen.

Schreib- und Lesezugriffe auf den EEPROM-Speicher erfolgen über die im Modul eeprom.h definierten Funktionen. Mit diesen Funktionen können einzelne Bytes, Datenworte (16bit) und Datenblöcke geschrieben und gelesen werden.

Bei Nutzung des EEPROMs ist zu beachten, dass vor dem Zugriff auf diesen Speicher abgefragt wird, ob der Controller die vorherige EEPROM-Operation abgeschlossen hat. Die avr-libc-Funktionen beinhalten diese Prüfung, man muss sie nicht selbst implementieren. Man sollte auch verhindern, dass der Zugriff durch die Abarbeitung einer Interrupt-Routine unterbrochen wird, da bestimme Befehlsabfolgen vorgegeben sind, die innerhalb weniger Taktzyklen aufeinanderfolgen müssen ("timed sequence"). Auch dies muss bei Nutzung der Funktionen aus der avr-libc/eeprom.h-Datei nicht selbst implementiert werden. Innerhalb der Funktionen werden Interrupts vor der "EEPROM-Sequenz" global deaktiviert und im Anschluss, falls vorher auch schon eingeschaltet, wieder aktiviert.

Um eine Variable im EEPROM anzulegen, stellt die avr-libc das Makro EEMEM zur Verfügung<ref>In älteren Versionen der avr-libc ist EEMEM noch nicht vorhanden, und man kann sich folgendermassen behelfen:
<c>
#include <avr/eeprom.h>

#ifndef EEMEM
#define EEMEM __attribute__((section (".eeprom")))
#endif
</c></ref>, das analog zu PROGMEM verwendet wird.

<c>
#include <stdint.h>
#include <avr/eeprom.h>

/* Byte */
uint8_t eeFooByte EEMEM = 123;

/* Wort */
uint16_t eeFooWord EEMEM = 12345;

/* float */
float eeFooFloat EEMEM;

/* Byte-Array */
uint8_t eeFooByteArray1[] EEMEM = { 18, 3, 70 };
uint8_t eeFooByteArray2[] EEMEM = { 30, 7, 79 };

/* 16-bit unsigned short feld */
uint16_t eeFooWordArray1[4] EEMEM;
</c>

=== Bytes lesen/schreiben ===

Die avr-libc Funktion zum Lesen eines Bytes heißt eeprom_read_byte. Parameter ist die Adresse des Bytes im EEPROM. Geschrieben wird über die Funktion eeprom_write_byte mit den Parametern Adresse und Inhalt. Anwendungsbeispiel:

<c>
#define EEPROM_DEF 0xFF

void eeprom_example (void)
{
uint8_t myByte;

// myByte lesen (Wert = 123)
myByte = eeprom_read_byte (&eeFooByte);

// der Wert 99 wird im EEPROM an die Adresse der
// Variablen eeFooByte geschrieben
myByte = 99;
eeprom_write_byte(&eeFooByte, myByte); // schreiben

myByte = eeprom_read_byte &eeFooByteArray1[1]);
// myByte hat nun den Wert 3

// Beispiel zur "Sicherung" gegen leeres EEPROM nach "Chip Erase"
// (z. B. wenn die .eep-Datei nach Programmierung einer neuen Version
// des Programms nicht in den EEPROM uebertragen wurde und EESAVE
// deaktiviert ist (unprogrammed/1)
//
// Vorsicht: wenn EESAVE "programmed" ist, hilft diese Sicherung nicht
// weiter, da die Speicheraddressen in einem neuen/erweiterten Programm
// moeglicherweise verschoben wurden. An der Stelle &eeFooByte steht
// dann u.U. der Wert einer anderen Variable aus einer "alten" Version.

uint8_t fooByteDefault = 222;
if ((myByte = eeprom_read_byte (&eeFooByte)) == EEPROM_DEF)
{
myByte = fooByteDefault;
}
}
</c>

=== Wort lesen/schreiben ===

Schreiben und Lesen von Datenworten erfolgt analog zur Vorgehensweise bei Bytes:

<c>
// lesen
uint16_t myWord = eeprom_read_word (&eeFooWord);

// schreiben
eeprom_write_word (&eeFooWord, 2222);
</c>

=== Block lesen/schreiben ===

Lesen und Schreiben von Datenblöcken erfolgt über die Funktionen <code>eeprom_read_block()</code> bzw. <code>eeprom_write_block()</code>. Die Funktionen erwarten drei Parameter: die Adresse der Quell- bzw. Zieldaten im RAM, die EEPROM-Addresse und die Länge des Datenblocks in Bytes als <code>size_t</code>.
<c>
uint8_t myByteBuffer[3];
uint16_t myWordBuffer[4];

void eeprom_block_example (void)
{
/* Datenblock aus EEPROM lesen */

/* liest 3 Bytes ab der von eeFooByteArray1 definierten EEPROM-Adresse
in das RAM-Array myByteBuffer */
eeprom_read_block (myByteBuffer, eeFooByteArray1, 3);

/* dito mit etwas Absicherung betr. der Länge */
eeprom_read_block (myByteBuffer, eeFooByteArray1, sizeof(myByteBuffer));

/* und nun mit 16-Bit Array */
eeprom_read_block (myWordBuffer, eeFooWordArray1, sizeof(myWordBuffer));

/* Datenblock in EEPROM schreiben */
eeprom_write_block (myByteBuffer, eeFooByteArray1, sizeof(myByteBuffer));
eeprom_write_block (myWordBuffer, eeFooWordArray1, sizeof(myWordBuffer));
}
</c>

Ebenso lassen sich float-Variablen lesen und schreiben:

<c>
#include <avr/eeprom.h>

float eeFloat EEMEM = 12.34f;

float void eeprom_float_example (float value)
{
/* float in EEPROM schreiben */
eeprom_write_float (&eeFloat, value);

/* float aus EEPROM lesen */
return eeprom_read_float (&eeFloat);
}</c>

=== EEPROM-Speicherabbild in .eep-Datei ===

Mit den zum Compiler gehörenden Werkzeugen kann der aus den Variablendeklarationen abgeleitete EEPROM-Inhalt in eine Datei geschrieben werden. Die übliche Dateiendung ist .eep, Daten im Intel Hex-Format. Damit können Standardwerte für den EEPROM-Inhalt im Quellcode definiert werden.

Makefiles nach WinAVR/MFile-Vorlage enthalten bereits die notwendigen Einstellungen, siehe dazu die Erläuterungen im [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs Makefiles|Exkurs Makefiles]].

Der Inhalt der eep-Datei muss ebenfalls zum Mikrocontroller übertragen werden, wenn die Initialisierungswerte aus der Deklaration vom Programm erwartet werden. Ansonsten enthält der EEPROM-Speicher nach der Übertragung des Programmers mittels ISP abhängig von der Einstellung der EESAVE-Fuse<ref>vgl. Datenblatt Abschnitt Fuse Bits</ref> nicht die korrekten Werte:
; EESAVE = 0 (programmed): Die Daten im EEPROM bleiben erhalten. Werden sie nicht neu geschrieben, so enthält das EEPROM evtl. Daten, die nicht mehr zum Programm passen.
; EESAVE = 1 (unprogrammed): Beim Programmieren werden die Daten im EEPROM gelosch, also auf 0xff gesetzt.

Als Sicherung kann man im Programm nochmals die Standardwerte vorhalten, beim Lesen auf 0xFF prüfen und gegebenfalls einen Standardwert nutzen.

=== Direkter Zugriff auf EEPROM-Adressen ===

Will man direkt auf bestimmte EEPROM Adressen zugreifen, dann sind folgende Funktionen hilfreich, um sich die Typecasts zu ersparen:

<c>
#include <avr/eeprom.h>

// Byte aus dem EEPROM lesen
uint8_t EEPReadByte(uint16_t addr)
{
return eeprom_read_byte((uint8_t *)addr);
}

// Byte in das EEPROM schreiben
void EEPWriteByte(uint16_t addr, uint8_t val)
{
eeprom_write_byte((uint8_t *)addr, val);
}
</c>

oder als Makro:

<c>
#define EEPReadByte(addr) eeprom_read_byte((uint8_t *)addr)
#define EEPWriteByte(addr, val) eeprom_write_byte((uint8_t *)addr, val)
</c>

Verwendung:

<c>
EEPWriteByte(0x20, 128); // Byte an die Adresse 0x20 schreiben
...
Val=EEPReadByte(0x20); // EEPROM-Wert von Adresse 0x20 lesen
</c>

=== Bekannte Probleme bei den EEPROM-Funktionen ===

Vorsicht: Bei alten Versionen der avr-libc wurden nicht alle AVR Controller unterstützt. Z.B. bei der avr-libc Version 1.2.3 insbesondere bei AVRs "der neuen Generation" (ATmega48/88/168/169) funktionieren die Funktionen nicht korrekt (Ursache: unterschiedliche Speicheradressen der EEPROM-Register). In neueren Versionen (z. B. avr-libc 1.4.3 aus WinAVR 20050125) wurde die Zahl der unterstüzten Controller deutlich erweitert und eine Methode zur leichten Anpassung an zukünftige Controller eingeführt.

In jedem Datenblatt zu AVR-Controllern mit EEPROM sind kurze Beispielecodes für den Schreib- und Lesezugriff enthalten. Will oder kann man nicht auf die neue Version aktualisieren, kann der dort gezeigte Code auch mit dem avr-gcc (ohne avr-libc/eeprom.h) genutzt werden ("copy/paste", gegebenfalls Schutz vor Unterbrechnung/Interrupt ergänzen ''uint8_t sreg; sreg=SREG; cli(); [EEPROM-Code] ; SREG=sreg; return;'', siehe Abschnitt Interrupts). Im Zweifel hilft ein Blick in den vom Compiler erzeugten Assembler-Code (lst/lss-Dateien).

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/EEPROM handling

=== EEPROM Register ===
Um das EEPROM anzusteuern, sind drei Register von Bedeutung:
;EEAR: Hier werden die Adressen eingetragen zum Schreiben oder Lesen. Dieses Register unterteilt sich nochmal in EEARH und EEARL, da in einem 8-Bit-Register keine 512 Adressen adressiert werden können.
;EEDR: Hier werden die Daten eingetragen, die geschrieben werden sollen, bzw. es enthält die gelesenen Daten.
;EECR: Ist das Kontrollregister für das EEPROM

Das EECR steuert den Zugriff auf das EEPROM und ist wie folgt aufgebaut:

:{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''Aufbau des EECR-Registers'''
|-
!Bit
| 7 || 6 || 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| - || - || - ||- || EERIE || EEMWE || EEWE || EERE
|-
! Read/Write
| R || R || R || R || R/W || R/W || R/W || R/W
|-
!Init Value
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0
|}

'''Bedeutung der Bits'''

;Bit 4-7: nicht belegt

;Bit 3 (EERIE): ''EEPROM Ready Interrupt Enable'': Wenn das Bit gesetzt ist und globale Interrupts erlaubt sind in Register SREG (Bit 7), wird ein Interrupt ausgelöst nach Beendigung des Schreibzyklus (EEPROM Ready Interrupt). Ist einer der beiden Bits 0, wird kein Interrupt ausgelöst.

;Bit 2 EEMWE): ''EEPROM Master Write Enable'': Dieses Bit bestimmt, dass, wenn EEWE = 1 gesetzt wird (innerhalb von 4 Taktzyklen), das EEPROM beschrieben wird mit den Daten in EEDR bei Adresse EEAR. Wenn EEMWE = 0 ist und EEWE = 1 gesetzt wird, hat das keine Auswirkungen. Der Schreibvorgang wird dann nicht ausgelöst. Nach 4 Taktzyklen wird das Bit EEMWE automatisch wieder auf 0 gesetzt. Dieses Bit löst den Schreibvorgang nicht aus, es dient sozusagen als Sicherungsbit für EEWE.

;Bit 1 (EEWE): ''EEPROM Write Enable'': Dieses Bit löst den Schreibvorgang aus, wenn es auf 1 gesetzt wird, sofern vorher EEMWE gesetzt wurde und seitdem nicht mehr als 4 Taktzyklen vergangen sind. Wenn der Schreibvorgang abgeschlossen ist, wird dieses Bit automatisch wieder auf 0 gesetzt und, sofern EERIE gesetzt ist, ein Interrupt ausgelöst. Ein Schreibvorgang sieht typischerweise wie folgt aus:
:# EEPROM-Bereitschaft abwarten (EEWE=0)
:# Adresse übergeben an EEAR
:# Daten übergeben an EEDR
:# Schreibvorgang auslösen in EECR mit Bit EEMWE=1 und EEWE=1
:# (Optional) Warten, bis Schreibvorgang abgeschlossen ist

;Bit 0 EERE: ''EEPROM Read Enable'': Wird dieses Bit auf 1 gesetzt wird das EEPROM an der Adresse in EEAR ausgelesen und die Daten in EEDR gespeichert. Das EEPROM kann nicht ausgelesen werden, wenn bereits eine Schreiboperation gestartet wurde. Es ist daher zu empfehlen, die Bereitschaft vorher zu prüfen. Das EEPROM ist lesebereit, wenn das Bit EEWE=0 ist. Ist der Lesevorgang abgeschlossen, wird das Bit wieder auf 0 gesetzt, und das EEPROM ist für neue Lese- und Schreibbefehle wieder bereit. Ein typischer Lesevorgang kann wie folgt aufgebaut sein:
:# Bereitschaft zum Lesen prüfen (EEWE=0)
:# Adresse übergeben an EEAR
:# Lesezyklus auslösen mit EERE = 1
:# Warten, bis Lesevorgang abgeschlossen EERE = 0
:# Daten abholen aus EEDR

= Die Nutzung von sprintf und printf =

Um komfortabel, d.h. formatiert, Ausgaben auf ein Display oder die serielle Schnittstelle zu tätigen, bieten sich '''sprintf''' oder '''printf''' an. Alle *printf-Varianten sind jedoch ziemlich speicherintensiv und der Einsatz in einem Mikrocontroller mit knappem Speicher muss sorgsam abgewogen werden.

Bei '''sprintf''' wird die Ausgabe zunächst in einem Puffer vorbereitet und anschließend mit einfachen Funktionen zeichenweise ausgegeben. Es liegt in der Verantwortung des Programmierers, genügend Platz im Puffer für die erwarteten Zeichen bereitzuhalten.

<c>
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

// ...
// nicht dargestellt: Implementierung von uart_puts (vgl. Abschnitt UART)
// ...

uint16_t counter;

// Ausgabe eines unsigned Integerwertes
void uart_puti( uint16_t value )
{
uint8_t puffer[20];

sprintf( puffer, "Zählerstand: %u", value );
uart_puts( puffer );
}

int main()
{
counter = 5;

uart_puti( counter );
uart_puti( 42 );
}
</c>

Eine weitere elegante Möglichkeit besteht darin, den STREAM stdout (Standardausgabe) auf eine eigene Ausgabefunktion umzuleiten. Dazu wird dem Ausgabemechanismus der C-Bibliothek eine neue Ausgabefunktion bekannt gemacht, deren Aufgabe es ist, ein einzelnes Zeichen auszugeben. Wohin die Ausgabe dann tatsächlich stattfindet, ist Sache der Ausgabefunktion. Im Beispiel unten wird auf UART ausgegeben. Alle anderen, höheren Funktionen wie z. B. '''printf''', greifen letztendlich auf diese primitive Ausgabefunktion zurück.

<c>
#include <avr/io.h>
#include <stdio.h>

void uart_init(void);

// a. Deklaration der primitiven Ausgabefunktion
int uart_putchar(char c, FILE *stream);

// b. Umleiten der Standardausgabe stdout (Teil 1)
static FILE mystdout = FDEV_SETUP_STREAM( uart_putchar, NULL, _FDEV_SETUP_WRITE );

// c. Definition der Ausgabefunktion
int uart_putchar( char c, FILE *stream )
{
if( c == '\n' )
uart_putchar( '\r', stream );

loop_until_bit_is_set( UCSRA, UDRE );
UDR = c;
return 0;
}

void uart_init(void)
{
/* hier µC spezifischen Code zur Initialisierung */
/* des UART einfügen... s.o. im AVR-GCC-Tutorial */

// Beispiel:
//
// myAVR Board 1.5 mit externem Quarz Q1 3,6864 MHz
// 9600 Baud 8N1

#ifndef F_CPU
#define F_CPU 3686400
#endif
#define UART_BAUD_RATE 9600

// Hilfsmakro zur UBRR-Berechnung ("Formel" laut Datenblatt)
#define UART_UBRR_CALC(BAUD_,FREQ_) ((FREQ_)/((BAUD_)*16L)-1)

UCSRB |= (1<<TXEN) | (1<<RXEN); // UART TX und RX einschalten
UCSRC |= (1<<URSEL)|(3<<UCSZ0); // Asynchron 8N1

UBRRH = (uint8_t)( UART_UBRR_CALC( UART_BAUD_RATE, F_CPU ) >> 8 );
UBRRL = (uint8_t)UART_UBRR_CALC( UART_BAUD_RATE, F_CPU );
}

int main(void)
{
int16_t antwort = 42;
uart_init();

// b. Umleiten der Standardausgabe stdout (Teil 2)
stdout = &mystdout;

// Anwendung
printf( "Die Antwort ist %d.\n", antwort );
return 0;
}

// Quelle: avr-libc-user-manual-1.4.3.pdf, S.74
// + Ergänzungen
</c>

Sollen Fließkommazahlen ausgegeben werden, muss im Makefile eine andere (größere) Version der [[FAQ#Aktivieren_der_Floating_Point_Version_von_sprintf_beim_WinAVR_mit_AVR-Studio|printflib]] eingebunden werden.

= Anhang =

== Externe Referenzspannung des internen Analog-Digital-Wandlers ==

Die minimale (externe) Referenzspannung des ADC darf nicht beliebig niedrig sein, vgl. dazu das (aktuellste) Datenblatt des verwendeten Controllers. z. B. beim ATMEGA8 darf sie laut Datenblatt (S.245, Tabelle 103, Zeile "VREF") 2,0V nicht unterschreiten. HINWEIS: diese Information findet sich erst in der letzten Revision (Rev. 2486O-10/04) des Datenblatts.

Meiner  eigenen Erfahrung nach kann man aber (auf eigene Gefahr und natürlich nicht für Seriengeräte) durchaus noch ein klein wenig weiter heruntergehen, bei dem von mir unter die Lupe genommenen ATMEGA8L (also die Low-Voltage-Variante) funktioniert der ADC bei 5V Betriebsspannung mit bis zu VREF=1,15V hinunter korrekt, ab 1,1V und darunter digitalisiert er jedoch nur noch Blödsinn). Ich würde sicherheitshalber nicht unter 1,5V gehen und bei niedrigeren Betriebsspannungen mag sich die Untergrenze für VREF am Pin AREF ggf. nach oben'''(!)''' verschieben.

In der letzten Revision des Datenblatts ist außerdem korrigiert, dass ADC4 und ADC5 sehr wohl 10 Bit Genauigkeit bieten (und nicht bloß 8 Bit, wie in älteren Revisionen irrtümlich angegeben.)

= Anmerkungen =
<references/>
6. oben beim ADC steht dass ich den kanal bzw den pin mit den bits Mux0-MUX2 wähle....was ist mit MUX3 und MUX4?

7. im bsp Quellcode zum ADC steht nicht explixit drin dass es sich um die singleconversion handelt da das ADFR bit nicht gesetzt wurde und es per default auf 0 steht. Ist kein schlimmer Fehlero.ä aber ich denke es wäre ein guter Hinweis.

= TODO =
* Aktualisierung Register- und Bitbeschreibungen an aktuelle AVR
* stdio.h, malloc()
* "naked"-Funktionen
* Übersicht zu den C bzw. GCC-predefined Makros (__DATE__, __TIME__,...)
* Bootloader => erl. [[AVR Bootloader in C - eine einfache Anleitung]]
* [http://myweb.msoe.edu/~barnicks/courses/CE-2800/documents/Mixing%20C%20and%20assembly%20language%20programs.pdf Mixing C and assembly language programs] Copyright © 2007 William Barnekow (PDF).

[[Kategorie:avr-gcc Tutorial| ]]

AVR Arithmetik

2011-09-12T07:47:26Z

Mfgkw: Änderung 60372 von Markosurup (Diskussion) wurde rückgängig gemacht.

Dieser Artikel beschäftigt sich mit 16- und 32-Bit Arithmetik auf [[AVR]]-Controllern. Für detailierte Ausführungen zur [[AVR-Tutorial: Arithmetik8|8-Bit Arithmetik auf AVR]] gibt es eine Seite im [[AVR-Tutorial]].

== Glossar ==

MSB: Most Significant Byte, Höchstwertiges Byte

LSB: Least Significant Byte, Niedrigstwertiges Byte

== Vergleich ==

=== 16 Bit ===
<avrasm>
;
; LSB MSB LSB MSB
; Vergleiche < r16, r17 > mit < r20, r21 >
;

cp r16, r20
cpc r17, r21
</avrasm>

=== 32 Bit ===
<avrasm>
;
; LSB MSB LSB MSB
; Vergleiche < r16, r17, r18, r19 > mit < r20, r21, r22, r23 >
;

cp r16, r20
cpc r17, r21
cpc r18, r22
cpc r19, r23
</avrasm>

==Addition==
===16 Bit + 16 Bit===
<avrasm>
;
; < r16, r17 > = < r16, r17 > + < r20, r21 >
;

add r16, r20
adc r17, r21
</avrasm>

===32 Bit + 32 Bit===
<avrasm>
;
; < r16, r17, r18, r19 > = < r16, r17, r18, r19 > + < r20, r21, r22, r23 >
;

add r16, r20
adc r17, r21
adc r18, r22
adc r19, r23
</avrasm>

==Subtraktion==
===16 Bit - 16 Bit===
<avrasm>
;
; < r16, r17 > = < r16, r17 > - < r20, r21 >
;

sub r16, r20
sbc r17, r21
</avrasm>

===32 Bit - 32 Bit===
<avrasm>
;
; < r16, r17, r18, r19 > = < r16, r17, r18, r19 > - < r20, r21, r22, r23 >
;

sub r16, r20
sbc r17, r21
sbc r18, r22
sbc r19, r23
</avrasm>

==Division==
===32 Bit / 32 Bit===

Ergebnis gerundet, und mit Restbildung.

<avrasm>
.def a0 = r16
.def a1 = r17
.def a2 = r18
.def a3 = r19

.def b0 = r20
.def b1 = r21
.def b2 = r22
.def b3 = r23

.def t0 = r24
.def t1 = r25
.def t2 = r26
.def t3 = r27
.def t4 = r28

;************************************************************************
;* *
;* unsigned rounded division 32 bit *
;* *
;************************************************************************

urdiv32:
mov t0, b0 ;T = B
mov t1, b1
mov t2, b2
mov t3, b3
lsr t3 ;B / 2
ror t2
ror t1
ror t0
add a0, t0 ;A = A + B / 2
adc a1, t1
adc a2, t2
adc a3, t3

;************************************************************************
;* *
;* unsigned division 32 bit *
;* *
;************************************************************************

; a3..0 = a3..0 / b3..0
; b3..0 = remainde

;cycle: max 684

udiv32:
clr t0
clr t1
clr t2
clr t3
ldi t4, 32
udi1: lsl a0
rol a1
rol a2
rol a3
rol t0
rol t1
rol t2
rol t3
cp t0, b0
cpc t1, b1
cpc t2, b2
cpc t3, b3
brcs udi2
sub t0, b0
sbc t1, b1
sbc t2, b2
sbc t3, b3
inc a0
udi2: dec t4
brne udi1
mov b0, t0
mov b1, t1
mov b2, t2
mov b3, t3
ret

</avrasm>

Eine Version, die je nach konkreten Zahlen Rechenzeit einspart

<avrasm>
.def a0 = r16
.def a1 = r17
.def a2 = r18
.def a3 = r19

.def b0 = r20
.def b1 = r21
.def b2 = r22
.def b3 = r23

.def t0 = r24
.def t1 = r25
.def t2 = r26
.def t3 = r27

;************************************************************************
;* *
;* unsigned rounded division 32 bit *
;* *
;************************************************************************

urdiv32:
mov t0, b0 ;T = B
mov t1, b1
mov t2, b2
mov t3, b3
lsr t3 ;B / 2
ror t2
ror t1
ror t0
add a0, t0 ;A = A + B / 2
adc a1, t1
adc a2, t2
adc a3, t3

;************************************************************************
;* *
;* unsigned division 32 bit *
;* *
;************************************************************************
;cycle: max 431 (63%) (684)

udiv32:
clr t1
tst b3
breq udi10
ldi t0, 8
udi1: lsl a0
rol a1
rol a2
rol a3
rol t1
cp a1, b0
cpc a2, b1
cpc a3, b2
cpc t1, b3
brcs udi2
sub a1, b0
sbc a2, b1
sbc a3, b2
sbc t1, b3
inc a0
udi2: dec t0
brne udi1
mov b0, a1
clr a1
mov b1, a2
clr a2
mov b2, a3
clr a3
mov b3, t1
ret

udi10: tst b2
breq udi20
ldi t0, 16
udi11: lsl a0
rol a1
rol a2
rol a3
rol t1
brcs udi12
cp a2, b0
cpc a3, b1
cpc t1, b2
brcs udi13
udi12: sub a2, b0
sbc a3, b1
sbc t1, b2
inc a0
udi13: dec t0
brne udi11
mov b0, a2
clr a2
mov b1, a3
clr a3
mov b2, t1
ret

udi20: tst b1
breq udi30
ldi t0, 24
udi21: lsl a0
rol a1
rol a2
rol a3
rol t1
brcs udi22
cp a3, b0
cpc t1, b1
brcs udi23
udi22: sub a3, b0
sbc t1, b1
inc a0
udi23: dec t0
brne udi21
mov b0, a3
clr a3
mov b1, t1
ret

udi30: ldi t0, 32
udi31: lsl a0
rol a1
rol a2
rol a3
rol t1
brcs udi32
cp t1, b0
brcs udi33
udi32: sub t1, b0
inc a0
udi33: dec t0
brne udi31
mov b0, t1 ;store remainder
ret
;------------------------------------------------------------------------

</avrasm>

==Multiplikation==
===32 Bit * 16 Bit===
<avrasm>
.def a0 = r16
.def a1 = r17
.def a2 = r18
.def a3 = r19

.def b0 = r20
.def b1 = r21
.def b2 = r22
.def b3 = r23

.def t0 = r24
.def t1 = r25
.def t2 = r26
.def t3 = r27
.def i0 = r28

;************************************************************************
;* *
;* unsigned multiplication 32 bit *
;* *
;************************************************************************
;cycle: max 245

umul32:
cpi a3, 0
cpc a3, a2
breq _umu1 ;one operand must be below 65536
mov t0, a0 ; swap A <-> B
mov a0, b0
mov b0, t0
mov t0, a1
mov a1, b1
mov b1, t0
mov b2, a2
mov b3, a3
clr a2
clr a3
; a3,2,1,0 = a1,0 * b3,2,1,0
_umu1: ldi i0, 16
clr t0
clr t1
ror a1
ror a0
_umu2: brcc _umu3
add a2, b0
adc a3, b1
adc t0, b2
adc t1, b3
_umu3: ror t1
ror t0
ror a3
ror a2
ror a1
ror a0
dec i0
brne _umu2
ret
;------------------------------------------------------------------------

</avrasm>

===24 Bit * 24 Bit===
<avrasm>
;**********************************************************************************************
;
; muls24x24_48:
; Signed Multiply von 2 24Bit breiten Zahlen mit 48Bit ergebnis
;
; x = a * b
; R21:R20:R19:R18:R17:R16 = R27:R26:R25 * R24:R23:R22
; hi lo hi lo hi lo
;
;**********************************************************************************************

muls24x24_48:
clr r2 ;Zero Register
muls r27,r24 ; (1) signed Multiply a(MSB) * b(MSB)
mov r21,r1
mov r20,r0

mul r26,r23 ; (2) unsigned
mov r18,r0
mov r19,r1

mul r25,r22 ; (3) unsigned multiply a(LSB) * b(LSB)
mov r17,r1
mov r16,r0

mul r26,r22 ;(4) unsigned
add r17,r0
adc r18,r1
adc r19,r2
adc r20,r2
adc r21,r2

mul r25,r23 ;(5) unsigned
add r17,r0
adc r18,r1
adc r19,r2
adc r20,r2
adc r21,r2

push r16
push r17

mov r16,r27
mulsu r16,r22 ;(6) unsigned * signed
sbc r20,r2
sbc r21,r2
add r18,r0
adc r19,r1
adc r20,r2
adc r21,r2

mulsu r16,r23 ;(7) unsigned * signed
sbc r21,r2
add r19,r0
adc r20,r1
adc r21,r2

mov r16,r24
mov r17,r25
mulsu r16,r17 ;(8) unsigned * signed
sbc r20,r2
sbc r21,r2
add r18,r0
adc r19,r1
adc r20,r2
adc r21,r2

mov r17,r26
mulsu r16,r17 ;(9) unsigned * signed
sbc r21,r2
add r19,r0
adc r20,r1
adc r21,r2

pop r17
pop r16
ret
</avrasm>

==Wurzel==

=== avr-gcc Implementierung (32 Bit) ===
Quadratwurzel basierend auf einer Implementierung von Ruud v Gessel<ref>[http://members.chello.nl/j.beentjes3/Ruud/sqrt32avr.htm Ruud v Gessel: Quadratwurzeln]</ref>, die zusammen mit avr-gcc verwendet werden kann. Je nach Algorithmus wird das Ergebnis zum Nächsten gerundet oder abgerundet. Abrunden ist dann angesagt, wenn die Wurzel aus einer großen Eingabe wie <tt>0xffffffff</tt> zu ziehen ist, da bei Aufrunden hier das Ergebnis zu 0 überläuft.

Die maximale Ausführungszeit ist höchstens 310 Ticks (inclusive CALL+RET):

sqrt32.h
<c>
#ifndef SQRT32_H
#define SQRT32_H
#include <stdint.h>

extern uint16_t sqrt32_round (uint32_t);
extern uint16_t sqrt32_floor (uint32_t);

#endif /* SQRT32_H */
</c>

C-Module, welche die Wurzel benötigen, includen einfach diesen Header. Das Assembler-Modul wird assembliert und zum Projekt hinzugelinkt.

==== Rundung zum Nächsten ====

<center>
{| {{Tabelle}}
|+ '''Ressourcen-Verbrauch, Rundung zum Nächsten'''
|-
|bgcolor="#ddffdd"| '''Flash''' || 82 Bytes
|-
|bgcolor="#ddffdd"| '''RAM''' || 2–3 Bytes dynamisch, 0 Bytes statisch
|-
|bgcolor="#ddffdd"| '''Laufzeit''' || 265–310 Ticks (inclusive Zeiten für CALL+RET)
|}
</center>

'''sqrt32.S''' (sqrt32_round)
{{Scrollbox|25em|
<avrasm>

;-----------------------------------------------------------
; Fast and short 32 bits AVR sqrt routine, avr-gcc ABI compliant
; R25:R24 = SQRT (R25:R24:R23:R22) rounded to the
; nearest integer (0.5 rounds up)
; Destroys R18-R19,R22-R23,R26-R27
; Cycles incl call & ret = 265-310
; Stack incl call = 2-3
;-----------------------------------------------------------
.text
.global sqrt32_round
.type sqrt32_round, @function

sqrt32_round:
ldi R19, 0xc0
clr R18 ; rotation mask in R19:R18
ldi R27, 0x40
sub R26, R26 ; developing sqrt in R27:R26, C=0
1: brcs 2f ; C --> Bit is always 1
cp R24, R26
cpc R25, R27 ; Does test value fit?
brcs 3f ; C --> nope, bit is 0
2: sub R24, R26
sbc R25, R27 ; Adjust argument for next bit
or R26, R18
or R27, R19 ; Set bit to 1
3: lsr R19
ror R18 ; Shift right mask, C --> end loop
eor R27, R19
eor R26, R18 ; Shift right only test bit in result
rol R22 ; Bit 0 only set if end of loop
rol R23
rol R24
rol R25 ; Shift left remaining argument (C used at 1:)
sbrs R22, 0 ; Skip if 15 bits developed
rjmp 1b ; Develop 15 bits of the sqrt
brcs 4f ; C--> Last bits always 1
cp R26, R24
cpc R27, R25 ; Test for last bit 1
brcc 5f ; NC --> bit is 0
4: sbc R23, R19 ; Subtract C (any value from 1 to 0x7f will do)
sbc R24, R26
sbc R25, R27 ; Update argument for test
inc R26 ; Last bit is 1
5: lsl R23 ; Only bit 7 matters
rol R24
rol R25 ; Remainder * 2 + C
brcs 6f ; C --> Always round up
cp R26, R24
cpc R27, R25 ; C decides rounding
6: adc R26, R19
adc R27, R19 ; Round up if C (R19=0)
mov R25, R27 ; return in R25:R24 for avr-gcc ABI compliance
mov R24, R26
ret

.size sqrt32_round, .-sqrt32_round
</avrasm>
}}

==== Abrunden ====

<center>
{| {{Tabelle}}
|+ '''Ressourcen-Verbrauch, Abrunden'''
|-
|bgcolor="#ddffdd"| '''Flash''' || 60 Bytes
|-
|bgcolor="#ddffdd"| '''RAM''' || 2–3 Bytes dynamisch, 0 Bytes statisch
|-
|bgcolor="#ddffdd"| '''Laufzeit''' || 260–300 Ticks (inclusive Zeiten für CALL+RET)
|}
</center>

'''sqrt32.S''' (sqrt32_floor)
{{Scrollbox|25em|
<avrasm>
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
; Fast and short 32 bits AVR sqrt routine, avr-gcc ABI compliant
; R25:R24 = SQRT (R25:R24:R23:R22)
; rounded down to integer
; Destroys R26,R27,R22,R23,R18,R19
; Cycles incl call & ret = 260-300
; Stack incl call = 2-3
.text
.global sqrt32_floor
.type sqrt32_floor, @function

sqrt32_floor:
ldi R19, 0xc0
clr R18 ; rotation mask in R19:R18
ldi R27, 0x40
sub R26, R26 ; developing sqrt in R27:R26, C=0
1: brcs 2f ; C --> Bit is always 1
cp R24, R26
cpc R25, R27 ; Does test value fit?
brcs 3f ; C --> nope, bit is 0
2: sub R24, R26
sbc R25, R27 ; Adjust argument for next bit
or R26, R18
or R27, R19 ; Set bit to 1
3: lsr R19
ror R18 ; Shift right mask, C --> end loop
eor R27, R19
eor R26, R18 ; Shift right only test bit in result
rol R22 ; Bit 0 only set if end of loop
rol R23
rol R24
rol R25 ; Shift left remaining argument (C used at 1:)
sbrs R22, 0 ; Skip if 15 bits developed
rjmp 1b ; Develop 15 bits of the sqrt

brcs 4f ; C--> Last bits always 1
lsl R23 ; Need bit 7 in C for cpc
cpc R26, R24
cpc R27, R25 ; After this C is last bit

4: adc R26, R19 ; Round up if C (R19=0)
mov R25, R27 ; return in R25:R24 as for avr-gcc ABI
mov R24, R26
ret

.size sqrt32_floor, .-sqrt32_floor
</avrasm>
}}

=== avr-gcc Implementierung (16 Bit) ===

Falls eine MUL-Instruktion vorhanden ist, benötigt eine 16-Bit Implementierung der Quadratwurzel nur eine handvoll Instruktionen und kann einigermassen bequem in Inline-Assembler geschrieben werden. Der Assembler-Teil besteht lediglich aus 9 Instruktionen und dauert unabhängig vom Eingabewert 80 Ticks.

'''sqrt16_floor''' (Braucht MUL, Inline-Assembler und auf Größe optimiert)
<c>
#include <stdint.h>

#if defined (__AVR_ENHANCED__)

static inline uint8_t
sqrt16_floor (uint16_t q)
{
uint8_t res = 0;
uint8_t mask = 1 << 7;

asm("0: add %[res], %[mask]" "\n"
" mul %[res], %[res]" "\n"
" cp %A[q], R0" "\n"
" cpc %B[q], R1" "\n"
" brsh 1f" "\n"
" sub %[res], %[mask]" "\n"
"1: lsr %[mask]" "\n"
" brne 0b" "\n"
" clr __zero_reg__"
: [res] "+r" (res), [mask] "+r" (mask)
: [q] "r" (q));

return res;
}
#endif // __AVR_ENHANCED__
</c>

Es handelt sich um eine größenoptimierte Version eines Algorithmus' von Marko Surup, siehe ''[http://www.mikrocontroller.net/topic/231332#2338343 Forum: AVR: 16-Bit Quadratwurzel in 63 Takten]''.

'''C-Variante'''

Die C-Variante verbraucht auf einem ATmega etwa 25 Instruktionen und 120 Ticks inclusive Funktionsaufruf und Parameteraufbereitung (getestet mit avr-gcc 4.6 und auf Größe optimiert):
<c>
#include <stdint.h>

uint8_t c_sqrt16 (uint16_t q)
{
uint8_t r, mask;
uint8_t i = 8*sizeof (r) -1;

r = mask = 1 << i;

for (; i > 0; i--)
{
mask >>= 1;

if (q < (uint16_t) r*r)
r -= mask;
else
r += mask;
}

if (q < (uint16_t) r*r)
r -= 1;

return r;
}</c>

==Binär zu BCD - Umwandlung==
Zur Ausgabe einer Binärzahl auf ein Textdisplay oder zur seriellen ASCII-Übertragung an den PC ist diese Umwandlung nötig. Sie ist ähnlich aufwendig wie eine Division, zum Beispiel für eine 32-Bit-Zahl etwa 500-900 Taktzyklen und 10 Register.
Mehrere Verfahren werden angeboten:
=== Division /10===
Für eine Division pro Dezimalstelle ist nur ein Unterprogramm nötig. Der Divisionsrest, engl. remainder, bildet unmittelbar die BCD-codierte Dezimalziffer, von rechts nach links fortschreitend. Zur Ausgabe von links nach rechts kann man die Ziffern auf dem Stack zwischenlagern (LIFO-Register last-in first-out)

Beispiele:
*[http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc0938.pdf AVR204: BCD Arithmetics, 8-Bit Binary to 2-digit BCD Conversion]

===Division /10000, /1000, /100, /10===
ähnlich dem vorigen, aber die BCD-Ziffern erscheinen sofort von links nach rechts.

Beispiele:
*[http://users.i.com.ua/~birua/math32.asm Bin2BCD == 16-bit Binary to BCD conversion in der Macrolibrary Math32 von Andre Birua]
*[http://avr-asm.tripod.com/math32x.html oder auch hier zu finden]

===Addition von $33===
Hier wird die Binärzahl, mit der höchstwertigen Stelle voran, von rechts in die Ergebnisregister geschoben. Nach jedem Schiebevorgang wird eine Korrekturrechnung ausgeführt. Für 32 Bit bilden 4 Eingabe- und 5 Ausgaberegister ein 72 Bit Schieberegister, das 32 mal links geschoben wird.
Durch die Korrekturrechnung wird die Binärzahl zur gepackten (2 Stellen pro Byte) BCD-Zahl "aufgebläht".

Eine Erklärung des Algorithmus soll hier versucht werden:
Um die niederwertigste 4 Bit Binärziffer in BCD umzuwandeln, ist für $0...$9 keine Änderung nötig, für $A...$F wird "6" addiert. Diese Addition wird ersetzt durch eine Addition von "3" und anschließendes Linksschieben. Das führt man zunächst für beide Halbbytes gleichzeitig mit "subi Reg,-$33" aus. Anschließend werden die beiden Additionen einzeln für den Fall "0...9" rückgängig gemacht. Die Bits 4 und 7 des Registers dient dabei als BCD-Carry-Flag (Halbbyte-Übertrag). Das normale C-Flag wird durch die Additionen nicht beeinflußt, es dient nur dem Schiebevorgang.

Beispiele:
* [http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc0938.pdf AVR204: BCD Arithmetics 16 Bit Binary to 5-digit BCD conversion]
* [http://avr-asm.tripod.com/math32x.html The AVR Assembler Site: 32 Bit Math]
* [http://www.ingelec.uns.edu.ar/dclac2558/BCD2BIN.PDF Der gleiche serielle Algorithmus für Xilinx CPLDs]

===Tabelle===
Für kleine Zahlen kann die gesuchte BCD-Zahl auch aus einer Tabelle entnommen werden.
===Mischvarianten===
Eine Mischung mehrerer Verfahren wird z. B. von Andre Birua in der ersten Variante von "Bin4BCD" verwendet. Die oberen 16 Bit werden nach "Div/10000" vorbearbeitet und anschließend alle 32 Bit nach "Add $33".

===Tutorial===
*[http://www.cs.uiowa.edu/~jones/bcd/decimal.html Part of the Arithmetic Tutorial Collection by Douglas W. Jones]
enthält C-Code und PIC-Code für schnelle 16 Bit Wandlung, Hardware-Multiplizierer möglich - auch für FPGA interessant
*[http://www.mikrocontroller.net/articles/TTL74185 VHDL Nachbau des TTL 74185 6-Bit Binär-zu-BCD-Wandlers]
*[http://www.mikrocontroller.net/articles/Festkommaarithmetik Tutorial Festkommaarithmetik]
*[http://www.mikrocontroller.net/articles/AVR-Tutorial:_7-Segment-Anzeige Tutorial 7-Segment-Anzeige]

===Diskussionsbeiträge im Forum===
*[http://www.mikrocontroller.net/topic/85248 Binär-zu-BCD in VHDL]
*[http://www.mikrocontroller.net/topic/83884 ebenfalls VHDL]
*[http://www.mikrocontroller.net/topic/59851 32 Bit in C]
*[http://www.mikrocontroller.net/topic/64842 16 und 32 Bit C und AVR-Assembler]
*[http://www.mikrocontroller.net/topic/1501 Assembler für AVR-GCC bis 256 Bit]
*[http://www.mikrocontroller.net/topic/173633 2 hoch x , wenn x kein Integer ist]
*[http://www.mikrocontroller.net/topic/230317 schnelle dezimale Division auf AVR & Co.]

== Sinus und Cosinus ==
→ siehe [[AVR Arithmetik/Sinus und Cosinus (CORDIC)]] 
→ siehe [[AVR Arithmetik/Sinus und Cosinus (Lineare Interpolation)]]

== Saturierung ==
→ siehe [[AVR Arithmetik/Saturierung]]

== Fußnoten ==
<references/>

== Weblinks==
* [http://faculty.capitol-college.edu/~andresho/tutor/Multimedia/AVR/HW_mult/avr201.htm AVR201: Using the AVR Hardware Multiplier] (Implementierung und Beispiele)
* [http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc1631.pdf AVR201: Using the AVR Hardware Multiplier] (Application Note, pdf, en)
* [http://www.azillionmonkeys.com/qed/sqroot.html Wurzelfunktion]
* [http://www.avrfreaks.net/index.php?name=PNphpBB2&file=printview&t=37150&start=40 Optimierte Division durch 10]
* [http://www.avrfreaks.net/index.php?name=PNphpBB2&file=printview&t=54192&start=20 Optimierte Division durch 3]
* [http://www.cs.uiowa.edu/~jones/bcd/divide.html Division durch reziproke Multiplikation, Tutorial]
* [http://web.archive.org/web/20080519123741/http://users.i.com.ua/~birua/math32.html Math32: Some Useful Assembler Multibyte Maths Subroutines & Macrocalls] [http://avr-asm.tripod.com/math32x.html (oder hier)]
*[http://avr.15.forumer.com/a/computer-math-11/ AVR-Computer Math topics]
*[http://elm-chan.org/cc_e.html Elm-Chan's Bibliotheken u.a. Arithmetik]
* [http://www.embedded.com/design/opensource/217900224?printable=true Multiplication by a Fixed Point Constant], Embedded.com, 06/16/09
* [http://surfnet.dl.sourceforge.net/sourceforge/avrfix/avrfix.pdf M. Rosenblattl, A. Wolf: ''Fixed Point Library According to ISO/IEC Standard DTR 18037 for Atmel AVR Processors''] (pdf, engl., 133 S.)
* [http://www.open-std.org/JTC1/sc22/wg14/www/docs/n1005.pdf ISO/IEC DTR 18037] (pdf, engl., 101 S.) — Spezifikation einer Erweiterung von C99 zur Unterstützung von Embedded Systems
* [http://www.phy6.org/outreach/edu/roman.htm A Different Kind of Multiplication]

[[Category:AVR-Tutorial]]
[[Category:AVR-Arithmetik| ]]

Diskussion:C vs C++

2011-09-12T04:48:15Z

Mfgkw:

Mit einigen in diesem Artikel präsentierten Klischees bin ich so nicht wirklich einverstanden

* C ist al Teilmenge in C++ enthalten
Das war mal so, gilt aber schon lange nicht mehr. C++ hat sich von C entfernt und schon lange sind gültige C Programme keine gültigen C++ Programme mehr. Bzw auch umgekehrt: Beschränkt man sich auf den C-Teil von C++, so ist das noch lange kein gültiges C mehr bzw. man muss es in C so schreiben, wie man es in C besser nicht schreibt.

* Die Sprachsyntax von C++ verschleiert auch nicht mehr, als es die von C tut. Einen eventuellen Overhead kann man sich leicht einhandeln, indem man Dinge aus der STL benutzt. Allerdings gilt das so auch wieder nicht. Denn wenn man funktional gleichwertige Programme in C schreibt, landt man beim gleichen, wernn nicht höheren Aufwand. Einzig die Stream-Library und da wiederrum die I/O Streams cin bzw. cout schlagen mit hohen Overhead Zahlen zu Buche und sind auch meistens langsamer als die printf/scanf Variante. Auf der anderen Seite ist das der Preis, den man für typsicheres I/O zahlen muss.

* Die Fussangel Beispiele zeigen eigentlich nur eines: Derjenige der C++ programmiert hat viel zu lernen. Stichhaltig ist (bis auf eines) keines der Argumente. 'Vorsorglich angelegte Konstruktoren/Destruktoren' zeigen, dass der Programmierer noch Nachholbedarf hat. Dass etwas einfach so aus Java übernommen wird, ist kein Argument für oder gegen C++ - C++ ist nicht Java. Die I/O Sache geht in Ordnung, hat allerdings auch einen Grund: typsicheres I/O mit der Möglichkeit seine eigenen Klassen ebenfalls typsicher ins I/O Sytstem einzubinden. Die Sache mit den virtuellen Funktionsaufrufen: Kennt der COmpiler den tatsächlichen Datentyp, dann macht er auch keinen virtuellen Funktionsaufruf - in den anderen Fällen lautet der Vergleich nicht "man benutzt eine virtuelle Funktion, wenn man in C einen Funktionspointer benutzen würde" sondern der stichhaltige Vergleich lautet: "In C++ benutzt man virtuelle Funktionen wenn man in C mit einer Typvariable und einem switch-case eine Verzweigungshierarchie aufbauen würde, die je nach Typ eine andere Funktion aufruft". Speziell bei letzterem stellt sich in C dann heraus, dass man dafür zb einen Funktionszeiger benutzen kann. Die switch-case Lösung ist aber der C++ Lösung mit virtuellen Funktionen in jeder Hinsicht unterlegen - sowohl was Performance als auch Watbarkeit angeht. Einziger Nachteil virtueller Funktionen: die unumgängliche vTable, mit der der Mechanismus implementiert wird. Allerdings hört sich das schlimmer an als es ist.

Edt. mfgkw 06:45, 12. Sep. 2011: das Obige war 22:58, 11. Sep. 2011 Kbuchegg (wenn ich das richtig sehe)

----

Ja, das sehe ich genauso.
Um es vernünftig zu machen, müsste man aber etwas weiter ausholen; vielleicht mit ein paar sinnvollen Beispielen und etwas konkreteren Aussagen.
Ich würde da erst in 2 oder 3 Wochen dazu kommen.

--[[Benutzer:Mfgkw|Mfgkw]] 04:48, 12. Sep. 2011 (UTC)

Diskussion:C vs C++

2011-09-12T04:45:48Z

Mfgkw:

AVR-GCC-Tutorial

2011-08-21T10:30:45Z

Mfgkw: /* Speichern und Übergeben von Port und Pinnummer */ wieder gelöscht

= Voraussetzungen =

Vorausgesetzt werden Grundkenntnisse der Progammiersprache C. Diese Kenntnisse kann man sich online erarbeiten, z. B. mit dem [http://www.schellong.de/c.htm C Tutorial von Helmut Schellong] ([[C|Liste von C-Tutorials]]). Nicht erforderlich sind Vorkenntnisse in der Programmierung von Mikrocontrollern, weder in Assembler noch in einer anderen Sprache.

= Vorwort =

Dieses Tutorial soll den Einstieg in die Programmierung von Atmel [[AVR]]-Mikrocontrollern in der Programmiersprache [[C]] mit dem freien C-Compiler [[AVR-GCC]] aus der [http://gcc.gnu.org/ GNU Compiler Collection] erleichtern.

In diesem Text wird häufig auf die Standardbibliothek avr-libc verwiesen, für die es eine [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Online-Dokumentation] gibt, in der sich auch viele nützliche Informationen zum Compiler und zur Programmierung von AVR Controllern finden (beim Packet WinAVR gehört die avr-libc Dokumentation zum Lieferumfang und wird mitinstalliert).

Der Compiler und die Standardbibliothek avr-libc werden stetig weiterentwickelt. Einige Unterschiede, die sich im Verlauf der Entwicklung ergeben haben, werden im Haupttext und Anhang zwar erläutert, Anfängern sei jedoch empfohlen, die aktuellen Versionen zu nutzen (für MS-Windows: aktuelle Version des [[WinAVR]]-Pakets; für Linux: siehe Artikel [[AVR und Linux]]).

Das ursprüngliche Tutorial stammt von Christian Schifferle, viele neue Abschnitte und aktuelle Anpassungen von Martin Thomas.

Dieses Tutorial ist in PDF-Form hier erhältlich (nicht immer auf aktuellem Stand):
[[Media:AVR-GCC-Tutorial.pdf]]

== Weiterführende Kapitel ==

Um dieses riesige Tutorial etwas überschaubarer zu gestalten, wurden einige Kapitel ausgelagert, die nicht unmittelbar mit den Grundlagen von avr-gcc in Verbindung stehen. All diese Seiten gehören zur [[:Kategorie:avr-gcc Tutorial]].
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Der UART|Der UART]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Der Watchdog|Der Watchdog]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Die Timer und Zähler des AVR|Die Timer und Zähler des AVR]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs Makefiles|Exkurs Makefiles]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/LCD-Ansteuerung|LCD-Ansteuerung]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Alte Quellen|Alte Quellen anpassen]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Assembler und Inline-Assembler|Assembler und Inline-Assembler]]

= Benötigte Werkzeuge =

Um eigene Programme für AVRs mittels avr-gcc/avr-libc zu erstellen und zu testen, wird folgende Hard- und Software benötigt:

* Platine oder Versuchsaufbau für die Aufnahme eines AVR Controllers, der vom avr-gcc Compiler unterstützt wird (alle ATmegas und die meisten AT90, siehe Dokumentation der avr-libc für unterstützte Typen). Dieses Testboard kann durchaus auch selbst gelötet oder auf einem Steckbrett aufgebaut werden. Einige Registerbeschreibungen dieses Tutorials beziehen sich auf den inzwischen veralteten AT90S2313. Der weitaus größte Teil des Textes ist aber für alle Controller der AVR-Familie gültig. Brauchbare Testplattformen sind auch das [[STK500]] und der [[AVR Butterfly]] von Atmel. Weitere Infos findet man in den Artikeln [[AVR#Starterkits|AVR Starterkits]] und [[AVR-Tutorial: Equipment]].

* Der avr-gcc Compiler und die avr-libc. Kostenlos erhältlich für nahezu alle Plattformen und Betriebssysteme. Für MS-Windows im Paket [[WinAVR]]; für Unix/Linux siehe auch Hinweise im Artikel [[AVR-GCC]] und im Artikel [[AVR und Linux]].

* Programmiersoftware und -[[AVR In System Programmer |hardware]] z. B. PonyProg (siehe auch: [[Pony-Prog Tutorial]]) oder [[AVRDUDE]] mit [[STK200]]-Dongle oder die von Atmel verfügbare Hard- und Software ([[STK500]], Atmel AVRISP, [[AVR-Studio]]).

* Nicht unbedingt erforderlich, aber zur Simulation und zum Debuggen unter MS-Windows recht nützlich: [[AVR-Studio]] (siehe Artikel [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs_Makefiles|Exkurs: Makefiles]]).

* Wer unter Windows und Linux gleichermassen entwickeln will, der sollte sich die [http://www.eclipse.org/ IDE Eclipse for C/C++ Developers] und das [http://avr-eclipse.sourceforge.net/wiki/index.php/The_AVR_Eclipse_Plugin AVR-Eclipse Plugin ] ansehen, beide sind unter Windows und Linux einfach zu installieren. Hier gibt es auch einen [[AVR_Eclipse|Artikel AVR Eclipse]] in dieser Wiki. Ebenfalls unter Linux und Windows verfügbar ist die Entwicklungsumgebung [http://www.codeblocks.org/ Code::Blocks] (aktuelle, stabile Versionen sind als Nightly Builds regelmäßig im [http://forums.codeblocks.org/ Forum] verfügbar). Innerhalb dieser Entwicklungsumgebung können ohne die Installation zusätzlicher Plugins "AVR-Projekte" angelegt werden. Für Linux gibt es auch noch das [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=25220&postdays=0&postorder=asc&start=0 KontrollerLab].

= Was tun, wenn's nicht "klappt"? =

* Herausfinden, ob es tatsächlich ein avr(-gcc) spezifisches Problem ist oder nur die eigenen C-Kenntnisse einer Auffrischung bedürfen. Allgemeine C-Fragen kann man eventuell "beim freundlichen Programmierer zwei Büro-, Zimmer- oder Haustüren weiter" loswerden. Ansonsten: [[C]]-Buch (gibt's auch "gratis" online) lesen.

* Die [[AVR Checkliste]] durcharbeiten.

* Die '''[http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc]''' lesen, vor allem (aber nicht nur) den Abschnitt Related Pages/'''Frequently Asked Questions''' = Oft gestellte Fragen (und Antworten dazu). Z.Zt leider nur in englischer Sprache verfügbar.

* Den Artikel [[AVR-GCC]] in diesem Wiki lesen.

* Das [http://www.mikrocontroller.net/forum/gcc GCC-Forum auf www.mikrocontroller.net] nach vergleichbaren Problemen absuchen.

* Das avr-gcc-Forum bei [http://www.avrfreaks.net AVRfreaks] nach vergleichbaren Problemen absuchen.

* Das [http://lists.gnu.org/archive/html/avr-gcc-list/ Archiv der avr-gcc Mailing-Liste] nach vergleichbaren Problemen absuchen.

* Nach Beispielcode suchen. Vor allem im ''Projects''-Bereich von [http://www.avrfreaks.net AVRfreaks] (anmelden).

* Google oder yahoo befragen schadet nie.

* Bei Problemen mit der Ansteuerung interner AVR-Funktionen mit C-Code: das Datenblatt des Controllers lesen (ganz und am Besten zweimal). Datenblätter sind auf den [http://www.atmel.com Atmel Webseiten] als pdf-Dateien verfügbar. Das komplette Datenblatt (complete) und nicht die Kurzfassung (summary) verwenden.

* Die Beispielprogramme im [[AVR-Tutorial]] sind zwar in AVR-Assembler verfasst, Erläuterungen und Vorgehensweisen sind aber auch auf C-Programme übertragbar.

* Einen Beitrag in eines der Foren oder eine Mail an die Mailing-Liste schreiben. Dabei möglichst viel Information geben: Controller, Compilerversion, genutzte Bibliotheken, Ausschnitte aus dem Quellcode oder besser ein [http://www.mikrocontroller.net/topic/72767#598986 Testprojekt] mit allen notwendigen Dateien, um das Problem nachzuvollziehen, sowie genaue Fehlermeldungen bzw. Beschreibung des Fehlverhaltens. Bei Ansteuerung externer Geräte die Beschaltung beschreiben oder skizzieren (z. B. mit [http://www.tech-chat.de/ Andys ASCII Circuit]). Siehe dazu auch: '''[http://www.tty1.net/smart-questions_de.html "Wie man Fragen richtig stellt"]'''.

= Erzeugen von Maschinencode =

Aus dem C-Quellcode erzeugt der avr-gcc Compiler (zusammen mit Hilfsprogrammen wie z. B. Präprozessor, Assembler und Linker) Maschinencode für den AVR-Controller. Üblicherweise liegt dieser Code dann im Intel Hex-Format vor ("Hex-Datei"). Die Programmiersoftware (z. B. [[AVRDUDE]], PonyProg oder AVRStudio/STK500-plugin) liest diese Datei ein und überträgt die enthaltene Information (den Maschinencode) in den Speicher des Controllers. Im Prinzip sind also "nur" der avr-gcc-Compiler (und wenige Hilfsprogramme) mit den "richtigen" Optionen aufzurufen, um aus C-Code eine "Hex-Datei" zu erzeugen. Grundsätzlich stehen dazu zwei verschiedene Ansätze zur Verfügung:

* Die Verwendung einer integrierten Entwicklungsumgebung (IDE = '''I'''ntegrated '''D'''evelopment '''E'''nvironment), bei der alle Einstellungen z. B. in Dialogboxen durchgeführt werden können. Unter Anderem kann AVRStudio ab Version 4.12 (kostenlos auf [http://www.atmel.com/ atmel.com]) zusammen mit WinAVR als integrierte Entwicklungsumgebung für den Compiler avr-gcc genutzt werden (dazu müssen AVRStudio und WinAVR auf dem Rechner installiert sein). Weitere IDEs (ohne Anspruch auf Vollständigkeit): [http://www.eclipse.org/ Eclipse for C/C++ Developers] (d.h. inkl. CDT) und das [http://avr-eclipse.sourceforge.net/wiki/index.php/The_AVR_Eclipse_Plugin AVR-Eclipse Plugin] (für diverse Plattformen, u.a. Linux und MS Windows, IDE und Plugin kostenlos), [http://sourceforge.net/projects/kontrollerlab KontrollerLab] (Linux/KDE, kostenlos). [http://www.atmanecl.com/EnglishSite/SoftwareEnglish.htm AtmanAvr] (MS Windows, relativ günstig), KamAVR (MS-Windows, kostenlos, wird augenscheinlich nicht mehr weiterentwickelt), [http://www.amctools.com/vmlab.htm VMLab] (MS Windows, ab Version 3.12 ebenfalls kostenlos). Integrierte Entwicklungsumgebungen unterscheiden sich stark in Ihrer Bedienung und stehen auch nicht für alle Plattformen zur Verfügung, auf denen der Compiler ausführbar ist (z. B. AVRStudio nur für MS-Windows). Zur Anwendung des avr-gcc Compilers mit IDEs sei hier auf deren Dokumentation verwiesen.

* Die Nutzung des Programms make mit passenden Makefiles. In den folgenden Abschnitten wird die Generierung von Maschinencode für einen AVR ("hex-Datei") aus C-Quellcode ("c-Dateien") anhand von "make" und den "Makefiles" näher erläutert. Viele der darin beschriebenen Optionen findet man auch im Konfigurationsdialog des avr-gcc-Plugins von AVRStudio (AVRStudio generiert ein makefile in einem Unterverzeichnis des Projektverzeichnisses).

Beim Wechsel vom makefile-Ansatz nach WinAVR-Vorlage zu AVRStudio ist darauf zu achten, dass AVRStudio (Stand: AVRStudio Version 4.13) bei einem neuen Projekt die Optimierungsoption (vgl. Artikel [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs_Makefiles|AVR-GCC-Tutorial/Exkurs: Makefiles]], typisch: -Os) nicht einstellt und die mathematische Bibliothek der avr-libc (libm.a, Linker-Option -lm) nicht einbindet. (Hinweis: Bei Version 4.16 wird beides bereits gesetzt). Beides ist Standard bei Verwendung von makefiles nach WinAVR-Vorlage und sollte daher auch im Konfigurationsdialog des avr-gcc-Plugins von AVRStudio "manuell" eingestellt werden, um auch mit AVRStudio kompakten Code zu erzeugen.

= Einführungsbeispiel =

Zum Einstieg ein kleines Beispiel, an dem die Nutzung des Compilers und der Hilfsprogramme (der sogenannten ''Toolchain'') demonstriert wird. Detaillierte Erläuterungen folgen in den weiteren Abschnitten dieses Tutorials.

Das Programm soll auf einem AVR Mikrocontroller einige Ausgänge ein- und andere ausschalten. Das Beispiel ist für einen ATmega16 programmiert ([http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2466.pdf Datenblatt]), kann aber sinngemäß für andere Controller der AVR-Familie modifiziert werden.

Ein kurzes Wort zur Hardware: Bei diesem Programm werden alle Pins von PORTB auf Ausgang gesetzt, und einige davon werden auf HIGH andere auf LOW gesetzt. Das kann je nach angeschlossener Hardware an diesen Pins kritisch sein. Am ungefährlichsten ist es, wenn nichts an den Pins angeschlossen ist und man die Funktion des Programmes durch eine Spannungsmessung mit einem Multimeter kontrolliert. Die Spannung wird dabei zwischen GND-Pin und den einzelnen Pins von PORTB gemessen.

Zunächst der Quellcode der Anwendung, der in einer Text-Datei mit dem Namen ''main.c'' abgespeichert wird.

<c>
/* Alle Zeichen zwischen Schrägstrich-Stern
und Stern-Schrägstrich sind Kommentare */

// Zeilenkommentare sind ebenfalls möglich
// alle auf die beiden Schrägstriche folgenden
// Zeichen einer Zeile sind Kommentar

#include <avr/io.h> // (1)

int main (void) { // (2)

DDRB = 0xFF; // (3)
PORTB = 0x03; // (4)

while(1) { // (5)
/* "leere" Schleife*/ // (6)
} // (7)

/* wird nie erreicht */
return 0; // (8)
}
</c>

# In dieser Zeile wird eine sogenannte Header-Datei eingebunden. In <code>avr/io.h</code> sind die Registernamen definiert, die im späteren Verlauf genutzt werden. Auch unter Windows wird ein <code>/</code> zur Kennzeichnung von Unterverzeichnissen in Include-Dateinamen verwendet und kein <code>\</code>.
# Hier beginnt das eigentliche Programm. Jedes C-Programm beginnt mit den Anweisungen in der Funktion <code>main</code>.
# Die Anschlüsse eines AVR ("Beinchen") werden zu Blöcken zusammengefasst, einen solchen Block bezeichnet man als Port. Beim ATmega16 hat jeder Port 8 Anschlüsse, bei kleineren AVRs können einem Port auch weniger als 8 Anschlüsse zugeordnet sein. Da per Definition (Datenblatt) alle gesetzten Bits in einem Datenrichtungsregister den entsprechenden Anschluss auf Ausgang schalten, werden mit DDRB=0xff alle Anschlüsse des Ports B als Ausgänge eingestellt.
# stellt die Werte der Ausgänge ein. Die den ersten beiden Bits des Ports zugeordneten Anschlüsse (PB0 und PB1) werden 1, alle anderen Anschlüsse des Ports B (PB2-PB7) zu 0. Aktivierte Ausgänge (logisch 1 oder "high") liegen auf Betriebsspannung (VCC, meist 5 Volt), nicht aktivierte Ausgänge führen 0 Volt (GND, Bezugspotential). Es ist sinnvoll, sich möglichst frühzeitig eine alternative Schreibweise beizubringen, die wegen der leichteren Überprüfbarkeit und Portierbarkeit oft im weiteren Tutorial und in Forenbeiträgen benutzt wird. Die Zuordnung sieht in diesem Fall so aus, Näheres dazu im Artikel [[Bitmanipulation]]:<c>PORTB = (1<<PB1) | (1<<PB0);</c>
# ist der Beginn der sogenannte ''Hauptschleife'' (main-loop). Dies ist eine Endlosschleife, welche kontinuierlich wiederkehrende Befehle enthält.
# In diesem Beispiel ist die Hauptschleife leer. Der Controller durchläuft die Schleife immer wieder, ohne dass etwas passiert. Eine solche Schleife ist notwendig, da es auf dem Controller kein Betriebssystem gibt, das nach Beendigung des Programmes die Kontrolle übernehmen könnte. Ohne diese Schleife kehrt das Programm aus <code>main</code> zurück, alle Interrupts werden deaktiviert und eine Endlosschleife betreten.
# Ende der Hauptschleife und Sprung zur passenden, öffnenden Klammer, also zu 5.
# ist das Programmende. Die Zeile ist nur aus Gründen der C-Kompatibilität enthalten: <c>int main(void)</c> besagt, dass die Funktion einen int-Wert zurückgibt. Die Anweisung wird aber nicht erreicht, da das Programm die Hauptschleife nie verlässt.

Um diesen Quellcode in ein lauffähiges Programm zu übersetzen, wird hier ein Makefile genutzt. Das verwendete Makefile findet sich auf der Seite [[Beispiel Makefile]] und basiert auf der Vorlage, die in WinAVR mitgeliefert wird und wurde bereits angepasst (Controllertyp ATmega16). Man kann das Makefile bearbeiten und an andere Controller anpassen oder sich mit dem Programm MFile menügesteuert ein Makefile "zusammenklicken". Das Makefile speichert man unter dem Namen <code>Makefile</code> (ohne Endung) im selben Verzeichnis, in dem auch die Datei <code>main.c</code> mit dem Programmcode abgelegt ist. Detailliertere Erklärungen zur Funktion von Makefiles finden sich im Artikel [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs_Makefiles|Exkurs: Makefiles]].

<pre>
D:\beispiel>dir

Verzeichnis von D:\beispiel

28.11.2006 22:53 <DIR> .
28.11.2006 22:53 <DIR> ..
28.11.2006 20:06 118 main.c
28.11.2006 20:03 16.810 Makefile
2 Datei(en) 16.928 Bytes
</pre>

Nun gibt man ''make all'' ein. Falls das mit WinAVR installierte Programmers Notepad genutzt wird, gibt es dazu einen Menüpunkt im Tools Menü. Sind alle Einstellungen korrekt, entsteht eine Datei <code>main.hex</code>, in welcher der Code für den AVR enthalten ist.
<pre>
D:\beispiel>make all

-------- begin --------
avr-gcc (GCC) 3.4.6
Copyright (C) 2006 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions. There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

Compiling C: main.c
avr-gcc -c -mmcu=atmega16 -I. -gdwarf-2 -DF_CPU=1000000UL -Os -funsigned-char -f
unsigned-bitfields -fpack-struct -fshort-enums -Wall -Wstrict-prototypes -Wundef
-Wa,-adhlns=obj/main.lst -std=gnu99 -Wundef -MD -MP -MF .dep/main.o.d main.c -
o obj/main.o

Linking: main.elf
avr-gcc -mmcu=atmega16 -I. -gdwarf-2 -DF_CPU=1000000UL -Os -funsigned-char -funs
igned-bitfields -fpack-struct -fshort-enums -Wall -Wstrict-prototypes -Wundef -W
a,-adhlns=obj/main.o -std=gnu99 -Wundef -MD -MP -MF .dep/main.elf.d obj/main.o
--output main.elf -Wl,-Map=main.map,--cref -lm

Creating load file for Flash: main.hex
avr-objcopy -O ihex -R .eeprom main.elf main.hex
</pre>

Der Inhalt der hex-Datei kann nun zum Controller übertragen werden. Dies kann z. B. über In-System-Programming ([[ISP]]) erfolgen, das im [[AVR-Tutorial: Equipment]] beschrieben ist. Makefiles nach der WinAVR/MFile-Vorlage sind für die Nutzung des Programms [[AVRDUDE]] vorbereitet. Wenn man den Typ und Anschluss des Programmiergerätes richtig eingestellt hat, kann mit ''make program'' die Übertragung mittels AVRDUDE gestartet werden. Jede andere Software, die hex-Dateien lesen und zu einem AVR übertragen kann<ref>z. B. [[Pony-Prog_Tutorial|Ponyprog]], yapp, AVRStudio</ref>, kann natürlich ebenfalls genutzt werden.

Startet man nun den Controller (Reset-Taster oder Stromzufuhr aus/an), werden vom Programm die Anschlüsse PB0 und PB1 auf 1 gesetzt. Man kann mit einem Messgerät nun an diesem Anschluss die Betriebsspannung messen oder eine [[LED]] leuchten lassen (Anode an den Pin, Vorwiderstand nicht vergessen). An den Anschlüssen PB2-PB7 misst man 0 Volt. Eine mit der Anode mit einem dieser Anschlüsse verbundene LED leuchtet nicht.

= Ganzzahlige (Integer) Datentypen =

Bei der Programmierung von Mikrokontrollern ist die Definition einiger ganzzahliger Datentypen sinnvoll, an denen eindeutig die Bit-Länge abgelesen werden kann.

Standardisierte Datentypen werden in der Header-Datei <code>stdint.h</code> definiert, die folgendermaßen eingebunden werden kann:
<c>#include <stdint.h></c>

{| {{Tabelle}}
|+ '''int-Typen aus <code>stdint.h</code> (C99)'''  
|- bgcolor="#d0d0ff"
!colspan="5"| Vorzeichenbehaftete int-Typen
|- bgcolor="#e8e8ff"
! Typname || Bit-Breite ||colspan="2"| Wertebereich
|align="center| '''C-Entsprechung''' (avr-gcc)
|-
|<code>int8_t</code> ||align="right"| 8 || −128 ⋯ 127 || −27 ⋯ 27−1 || <code>signed char</code>
|-
|<code>int16_t</code> ||align="right"| 16 || −32768 ⋯ 32767 || −215 ⋯ 215−1 || <code>signed short</code>, <code>signed int</code>
|-
|<code>int32_t</code> ||align="right"| 32 || −2147483648 ⋯ 2147483647 || −231 ⋯ 231−1 || <code>signed long</code>
|-
|<code>int64_t</code> ||align="right"| 64 || −9223372036854775808 ⋯ 9223372036854775807 || −263 ⋯ 263−1 || <code>signed long long</code>
|- bgcolor="#d0d0ff"
!colspan="5"| Vorzeichenlose int-Typen
|- bgcolor="#e8e8ff"
! Typname || Bit-Breite ||colspan="2"| Wertebereich
|align="center| '''C-Entsprechung''' (avr-gcc)
|-
|<code>uint8_t</code> ||align="right"| 8 || 0 ⋯ 255 || 0 ⋯ 28−1 || <code>unsigned char</code>
|-
|<code>uint16_t</code> ||align="right"| 16 || 0 ⋯ 65535 || 0 ⋯ 216−1 || <code>unsigned short</code>, <code>unsigned int</code>
|-
|<code>uint32_t</code> ||align="right"| 32 || 0 ⋯ 4294967295 || 0 ⋯ 232−1 || <code>unsigned long</code>
|-
|<code>uint64_t</code> ||align="right"| 64 || 0 ⋯ 18446744073709551615 || 0 ⋯ 264−1 || <code>unsigned long long</code>
|}

Neben den Typen gibt es auch Makros für die Bereichsgrenzen wie <code>INT8_MIN</code> oder <code>UINT16_MAX</code>. Siehe dazu auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__avr__stdint.html Dokumentation der avr-libc: Standard Integer Types].

= Bitfelder =

Beim Programmieren von Mikrocontrollern muss auf jedes Byte oder sogar auf
jedes Bit geachtet werden. Oft müssen wir in einer Variablen lediglich den
Zustand 0 oder 1 speichern. Wenn wir nun zur Speicherung eines einzelnen Wertes
den kleinsten bekannten Datentypen, nämlich '''unsigned char''', nehmen, dann
verschwenden wir 7 Bits, da ein '''unsigned char''' ja 8 Bits breit ist.

Hier bietet uns die Programmiersprache C ein mächtiges Werkzeug an, mit dessen
Hilfe wir 8 Bits in eine einzelne Bytevariable zusammenfassen und (fast) wie
8 einzelne Variablen ansprechen können. Die Rede ist von sogenannten Bitfeldern. Diese werden als Strukturelemente definiert. Sehen wir uns dazu doch am besten gleich ein Beispiel an:

<c>
struct {
unsigned bStatus_1:1; // 1 Bit für bStatus_1
unsigned bStatus_2:1; // 1 Bit für bStatus_2
unsigned bNochNBit:1; // Und hier noch mal ein Bit
unsigned b2Bits:2; // Dieses Feld ist 2 Bits breit
// All das hat in einer einzigen Byte-Variable Platz.
// die 3 verbleibenden Bits bleiben ungenutzt
} x;
</c>

Der Zugriff auf ein solches Feld erfolgt nun, wie beim Strukturzugriff bekannt,
über den Punkt- oder den Dereferenzierungs-Operator:

<c>
x.bStatus_1 = 1;
x.bStatus_2 = 0;
x.b2Bits = 3;
</c>

Bitfelder sparen Platz im RAM, zu Lasten von Platz im Flash, verschlechtern aber unter Umständen die Les- und Wartbarkeit des Codes. Anfängern wird deshalb geraten, ein "ganzes" Byte (uint8_t) zu nutzen, auch wenn nur ein Bitwert gespeichert werden soll.

= Grundsätzlicher Programmaufbau eines µC-Programms =

Wir unterscheiden zwischen 2 verschiedenen Methoden, um ein
Mikrocontroller-Programm zu schreiben, und zwar völlig unabhängig davon, in
welcher Programmiersprache das Programm geschrieben wird.

== Sequentieller Programmablauf ==

[[Image:Sequentielle Programme.gif|left]]
Bei dieser Programmiertechnik wird eine Endlosschleife programmiert, welche im
Wesentlichen immer den gleichen Aufbau hat. Es wird hier nach dem sogenannten EVA-Prinzip gehandelt. EVA steht für "Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe":
{{Absatz}}

== Interruptgesteuerter Programmablauf ==

[[Image:Interrupt Programme.gif|left]]
Bei dieser Methode werden beim Programmstart zuerst die gewünschten Interruptquellen aktiviert und dann in eine Endlosschleife gegangen, in welcher Dinge erledigt werden können, welche nicht zeitkritisch sind. Wenn ein Interrupt ausgelöst wird, so wird automatisch die zugeordnete Interruptfunktion ausgeführt.
{{Absatz}}

= Zugriff auf Register =

Die AVR-Controller verfügen über eine Vielzahl von Registern. Die meisten
davon sind sogenannte Schreib-/Leseregister. Das heißt, das Programm kann die
Inhalte der Register sowohl auslesen als auch beschreiben.

Register haben einen besonderen Stellenwert bei den AVR Controllern. Sie dienen dem Zugriff auf die Ports und die Schnittstellen des Controllers. Wir unterscheiden zwischen 8-Bit und 16-Bit Registern. Vorerst behandeln wir die 8-Bit Register.

Einzelne Register sind bei allen AVRs vorhanden, andere wiederum nur bei bestimmten Typen. So sind beispielsweise die Register, welche für den Zugriff auf den UART notwendig sind, selbstverständlich nur bei denjenigen Modellen vorhanden, welche über einen integrierten Hardware UART bzw. USART verfügen.

Die Namen der Register sind in den Headerdateien zu den entsprechenden AVR-Typen definiert. Dazu muss man den Namen der controllerspezifischen Headerdatei nicht kennen. Es reicht aus, die allgemeine Headerdatei ''avr/io.h'' einzubinden:

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

Ist im Makefile der MCU-Typ z. B. mit dem Inhalt atmega8 definiert (und wird somit per -mmcu=atmega8 an den Compiler übergeben), wird beim Einlesen der io.h-Datei implizit ("automatisch") auch die iom8.h-Datei mit den Register-Definitionen für den ATmega8 eingelesen.


Intern wird diese "Automatik" wie folgt realisiert: Der Controllertyp wird dem Compiler als Parameter übergeben (vgl. ''avr-gcc -c -mmcu=atmega16 [...]'' im Einführungsbeispiel). Wird ein Makefile nach der WinAVR/mfile-Vorlage verwendet, setzt man die Variable ''MCU'', der Inhalt dieser Variable wird dann an passender Stelle für die Compilerparameter verwendet. Der Compiler definiert intern eine dem mmcu-Parameter zugeordnete "Variable" (genauer: ein Makro) mit dem Namen des Controllers, vorangestelltem ''__AVR_'' und angehängten Unterstrichen (z. B. wird bei ''-mmcu=atmega16'' das Makro ''__AVR_ATmega16__'' definiert). Beim Einbinden der Header-Datei ''avr/io.h'' wird geprüft, ob das jeweilige Makro definiert ist und die zum Controller passende Definitionsdatei eingelesen. Zur Veranschaulichung einige Ausschnitte aus einem Makefile:

<pre>
[...]
# MCU Type ("name") setzen:
MCU = atmega16
[...]

[...]
## Verwendung des Inhalts von MCU (hier atmega16) fuer die
## Compiler- und Assembler-Parameter
ALL_CFLAGS = -mmcu=$(MCU) -I. $(CFLAGS) $(GENDEPFLAGS)
ALL_CPPFLAGS = -mmcu=$(MCU) -I. -x c++ $(CPPFLAGS) $(GENDEPFLAGS)
ALL_ASFLAGS = -mmcu=$(MCU) -I. -x assembler-with-cpp $(ASFLAGS)
[...]

[...]
## Aufruf des Compilers:
## mit den Parametern ($(ALL_CFLAGS) ist -mmcu=$(MCU)[...] = -mmcu=atmega16[...]
$(OBJDIR)/%.o : %.c
@echo
@echo $(MSG_COMPILING) $<
$(CC) -c $(ALL_CFLAGS) $< -o $@
[...]
</pre>

Da --mmcu=atmega16 übergeben wurde, wird __AVR_ATmega16__ definiert und kann in avr/io.h zur Fallunterscheidung genutzt werden:

<c>
// avr/io.h
// (bei WinAVR-Standardinstallation in C:\WinAVR\avr\include\avr)
[...]
#if defined (__AVR_AT94K__)
# include <avr/ioat94k.h>
// [...]
#elif defined (__AVR_ATmega16__)
// da __AVR_ATmega16__ definiert ist, wird avr/iom16.h eingebunden:
# include <avr/iom16.h>
// [...]
#else
# if !defined(__COMPILING_AVR_LIBC__)
# warning "device type not defined"
# endif
#endif
</c>

Die Beispiele in den folgenden Abschnitten demonstrieren den Zugriff auf Register anhand der Register für I/O-Ports (PORTx, DDRx, PINx), die Vorgehensweise ist jedoch für alle Register (z. B. die des UART, ADC, SPI) analog.

== Schreiben in Register ==

Zum Schreiben kann man Register einfach wie eine Variable setzen.<ref>In Quellcodes, die für ältere Versionen des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, erfolgt der Schreibzugriff über die Funktion outp(). Aktuelle Versionen des Compilers unterstützen den Zugriff nun direkt, outp() ist nicht mehr erforderlich.</ref>

Beispiel:

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

int main()
{
/* Setzt das Richtungsregister des Ports A auf 0xff
(alle Pins als Ausgang, vgl. Abschnitt Zugriff auf Ports): */
DDRA = 0xff;

/* Setzt PortA auf 0x03, Bit 0 und 1 "high", restliche "low": */
PORTA = 0x03;

// Setzen der Bits 0,1,2,3 und 4
// Binär 00011111 = Hexadezimal 1F
DDRB = 0x1F; /* direkte Zuweisung - unübersichtlich */

/* Ausführliche Schreibweise: identische Funktionalität, mehr Tipparbeit
aber übersichtlicher und selbsterklärend: */
DDRB = (1 << DDB0) | (1 << DDB1) | (1 << DDB2) | (1 << DDB3) | (1 << DDB4);

while (1);
}
</c>

Die ausführliche Schreibweise sollte bevorzugt verwendet werden, da dadurch die Zuweisungen selbsterklärend sind und somit der Code leichter nachvollzogen werden kann. Atmel verwendet sie auch bei Beispielen in Datenblätten und in den allermeisten Quellcodes zu Application-Notes. Mehr zu der Schreibweise mit "|" und "<<" findet man unter [[Bitmanipulation]].

Der gcc C-Compiler unterstützt ab Version 4.3.0 Konstanten im Binärformat, z. B. DDRB = 0b00011111. Diese Schreibweise ist jedoch nur in GNU-C verfügbar und nicht in ISO-C definiert. Man sollte sie daher nicht verwenden, wenn Code mit anderen ausgetauscht oder mit anderen Compilern bzw. älteren Versionen des gcc genutzt werden soll.

== Verändern von Registerinhalten ==

Einzelne Bits setzt und löscht man "Standard-C-konform" mittels logischer (Bit-) Operationen.

<c>
x |= (1 << Bitnummer); // Hiermit wird ein Bit in x gesetzt
x &= ~(1 << Bitnummer); // Hiermit wird ein Bit in x geloescht
</c>

Es wird jeweils nur der Zustand des angegebenen Bits geändert, der vorherige Zustand der anderen Bits bleibt erhalten.

Beispiel:
<c>
#include <avr/io.h>
...
#define MEINBIT 2
...
PORTA |= (1 << MEINBIT); /* setzt Bit 2 an PortA auf 1 */
PORTA &= ~(1 << MEINBIT); /* loescht Bit 2 an PortA */
</c>

Mit dieser Methode lassen sich auch mehrere Bits eines Registers gleichzeitig setzen und löschen.

Beispiel:
<c>
#include <avr/io.h>
...
DDRA &= ~( (1<<PA0) | (1<<PA3) ); /* PA0 und PA3 als Eingaenge */
PORTA |= (1<<PA0) | (1<<PA3); /* Interne Pull-Up fuer beide einschalten */
</c>

In Quellcodes, die für ältere Version den des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, werden einzelne Bits mittels der Funktionen sbi und cbi gesetzt bzw. gelöscht. Beide Funktionen sind nicht mehr erforderlich.

Siehe auch:
* [[Bitmanipulation]]
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Special Function Registers

== Lesen aus Registern ==

Zum Lesen kann man auf Register einfach wie auf eine Variable zugreifen. In Quellcodes, die für ältere Versionen des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, erfolgt der Lesezugriff über die Funktion inp(). Aktuelle Versionen des Compilers unterstützen den Zugriff nun direkt und inp() ist nicht mehr erforderlich.

Beispiel:

<c>
#include <avr/io.h>
#include <stdint.h>

uint8_t foo;

//...

int main(void)
{
/* kopiert den Status der Eingabepins an PortB
in die Variable foo: */
foo = PINB;
//...
}
</c>

Die Abfrage der Zustände von Bits erfolgt durch Einlesen des gesamten Registerinhalts und ausblenden der Bits deren Zustand nicht von Interesse ist. Einige Beispiele zum Prüfen ob Bits gesetzt oder gelöscht sind:

<c>
#define MEINBIT0 0
#define MEINBIT2 2

uint8_t i;

extern test1();

// Funkion test1 aufrufen, wenn Bit 0 in Register PINA gesetzt (1) ist
i = PINA; // Inhalt in Arbeitsvariable
i = i & 0x01; // alle Bits bis auf Bit 0 ausblenden (logisches und)
// falls das Bit gesetzt war, hat i den Inhalt 1
if ( i != 0 ) { // Ergebnis ungleich 0 (wahr)?
test1(); // dann muss Bit 0 in i gesetzt sein -> Funktion aufrufen
}
// verkürzt:
if ( ( PINA & 0x01 ) != 0 ) {
test1();
}
// nochmals verkürzt:
if ( PINA & 0x01 ) {
test1();
}
// mit definierter Bitnummer:
if ( PINA & ( 1 << MEINBIT0 ) ) {
test1();
}

// Funktion aufrufen, wenn Bit 0 und/oder Bit 2 gesetzt ist. (Bit 0 und 2 also Wert 5)
// (Bedenke: Bit 0 hat Wert 1, Bit 1 hat Wert 2 und Bit 2 hat Wert 4)
if ( PINA & 0x05 ) {
test1(); // Vergleich <> 0 (wahr), also mindestens eines der Bits gesetzt
}
// mit definierten Bitnummern:
if ( PINA & ( ( 1 << MEINBIT0 ) | ( 1 << MEINBIT2 ) ) ) {
test1();
}

// Funktion aufrufen, wenn Bit 0 und Bit 2 gesetzt sind
if ( ( PINA & 0x05 ) == 0x05 ) { // nur wahr, wenn beide Bits gesetzt
test1();
}

// Funktion test2() aufrufen, wenn Bit 0 gelöscht (0) ist
i = PINA; // einlesen in temporäre Variable
i = i & 0x01; // maskieren von Bit 0
if ( i == 0 ) { // Vergleich ist wahr, wenn Bit 0 nicht gesetzt ist
test2();
}
// analog mit not-Operator
if ( !i ) {
test2();
}
// nochmals verkürzt:
if ( !( PINA & 0x01 ) ) {
test2();
}
</c>

== Warten auf einen bestimmten Zustand ==

Es gibt in der Bibliothek avr-libc Funktionen, die warten, bis ein bestimmter Zustand eines Bits erreicht ist. Es ist allerdings normalerweise eine eher unschöne Programmiertechnik, da in diesen Funktionen "blockierend" gewartet wird. Der Programmablauf bleibt also an dieser Stelle stehen, bis das maskierte Ereignis erfolgt ist. Setzt man den [[Watchdog]] ein, muss man darauf achten, dass dieser auch noch getriggert wird (Zurücksetzen des Watchdogtimers).

Die Funktion '''loop_until_bit_is_set''' wartet in einer Schleife, bis das definierte Bit gesetzt ist. Wenn das Bit beim Aufruf der Funktion bereits gesetzt ist, wird die Funktion sofort wieder verlassen. Das niederwertigste Bit hat die Bitnummer 0.

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

/* Warten bis Bit Nr. 2 (das dritte Bit) in Register PINA gesetzt (1) ist */

#define WARTEPIN PINA
#define WARTEBIT PA2

// mit der avr-libc Funktion:
loop_until_bit_is_set(WARTEPIN, WARTEBIT);

// dito in "C-Standard":
// Durchlaufe die (leere) Schleife solange das WARTEBIT in Register WARTEPIN
// _nicht_ ungleich 0 (also 0) ist.
while ( !(WARTEPIN & (1 << WARTEBIT)) ) {}
...
</c>

Die Funktion '''loop_until_bit_is_clear''' wartet in einer Schleife, bis das definierte Bit gelöscht ist. Wenn das Bit beim Aufruf der Funktion bereits gelöscht ist, wird die Funktion sofort wieder verlassen.

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

/* Warten bis Bit Nr. 4 (das fuenfte Bit) in Register PINB geloescht (0) ist */
#define WARTEPIN PINB
#define WARTEBIT PB4

// avr-libc-Funktion:
loop_until_bit_is_clear(WARTEPIN, WARTEBIT);

// dito in "C-Standard":
// Durchlaufe die (leere) Schleife solange das WARTEBIT in Register WARTEPIN
// gesetzt (1) ist
while ( WARTEPIN & (1<<WARTEBIT) ) {}
...
</c>

Universeller und auch auf andere Plattformen besser übertragbar ist die Verwendung von C-Standardoperationen.

Siehe auch:
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Special Function Registers
* [[Bitmanipulation]]

== 16-Bit Register (ADC, ICR1, OCR1x, TCNT1, UBRR) ==

Einige der Portregister in den AVR-Controllern sind 16 Bit breit. Im Datenblatt sind diese Register üblicherweise mit dem Suffix "L" (Low-Byte) und "H" (High-Byte) versehen. Die avr-libc definiert zusätzlich die meisten dieser Variablen die Bezeichnung ohne "L" oder "H". Auf diese Register kann dann direkt zugegriffen werden. Die ist zum Beispiel der Fall für Register wie ADC oder TCNT1.
<c>
#include <avr/io.h>
...
uint16_t foo;

/* setzt die Wort-Variable foo auf den Wert der letzten AD-Wandlung */
foo = ADC;
</c>

Bei anderen Registern, wie zum Beispiel Baudraten-Register, liegen High- und Low-Teil nicht direkt nebeneinander im SFR-Bereich, so dass ein 16-Bit Zugriff nicht möglich ist und der Zugriff zusammengebastelt werden muss:

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

#ifndef F_CPU
#define F_CPU 3686400
#endif
#define UART_BAUD_RATE 9600

...
uint16_t baud = F_CPU / (UART_BAUD_RATE * 16L) -1;

UBRRH = (uint8_t) (baud >> 8);
UBRRL = (uint8_t) baud;
...
</c>

Bei einigen AVR-Typen wie ATmega8 oder ATmega16 teilen sich UBRRH und UCSRC die gleiche Speicher-Adresse. Damit der AVR trotzdem zwischen den beiden Registern unterscheiden kann, bestimmt das Bit7 (URSEL), welches Register tatsächlich beschrieben werden soll. ''1000 0011'' (0x83) adressiert demnach UCSRC und übergibt den Wert ''3'' und ''0000 0011'' (0x3) adressiert UBRRH und übergibt ebenfalls den Wert ''3''.

Speziell bei den 16-Bit-Timern und auch beim ADC ist es bei allen Zugriffen auf Datenregister erforderlich, dass diese Daten synchronisiert sind. Wenn z. B. bei einem 16-Bit-Timer das High-Byte des Zählregisters gelesen wurde und vor dem Lesezugriff auf das Low-Byte ein Überlauf des Low-Bytes stattfindet, erhält man einen völlig unsinnigen Wert. Auch die Compare-Register müssen synchron geschrieben werden, da es ansonsten zu unerwünschten Compare-Ereignissen kommen kann.

Beim ADC besteht das Problem darin, dass zwischen den Zugriffen auf die beiden Teilregister eine Wandlung beendet werden kann und der ADC ein neues Ergebnis in ADCL und ADCH schreiben will, wodurch High- und Low-Byte nicht zusammenpassen.

Um diese Datenmüllproduktion zu verhindern, gibt es in beiden Fällen eine Synchronisation, die jeweils durch den Zugriff auf das Low-Byte ausgelöst wird:
* Bei den Timer-Registern (das gilt für alle TCNT-, OCR- und ICR-Register bei den 16-Bit-Timern) wird bei einem ''Lesezugriff'' auf das Low-Byte automatisch das High-Byte in ein temporäres Register, das ansonsten nach außen nicht sichtbar ist, geschoben. Greift man nun ''anschließend'' auf das High-Byte zu, dann wird eben dieses temporäre Register gelesen.
* Bei einem ''Schreibzugriff'' auf eines der genannten Register wird das High-Byte in besagtem temporären Register zwischengespeichert und erst beim Schreiben des Low-Bytes werden ''beide'' gleichzeitig in das eigentliche Register übernommen.

Das bedeutet für die Reihenfolge:
* Lesezugriff: Erst Low-Byte, dann High-Byte
* Schreibzugriff: Erst High-Byte, dann Low-Byte

Des weiteren ist zu beachten, dass es für all diese 16-Bit-Register nur ein einziges temporäres Register gibt, so dass das Auftreten eines Interrupts, in dessen Handler ein solches Register manipuliert wird, bei einem durch ihn unterbrochenen Zugriff i.d.R. zu Datenmüll führt. 16-Bit-Zugriffe sind generell nicht atomar! Wenn mit Interrupts gearbeitet wird, kann es erforderlich sein, vor einem solchen Zugriff auf ein 16-Bit-Register die Interrupt-Bearbeitung zu deaktivieren.

Beim ADC-Datenregister ADCH/ADCL ist die Synchronisierung anders gelöst. Hier wird beim Lesezugriff (ADCH/ADCL sind logischerweise read-only) auf das Low-Byte ADCL beide Teilregister für Zugriffe seitens des ADC so lange gesperrt, bis das High-Byte ADCH ausgelesen wurde. Dadurch kann der ADC nach einem Zugriff auf ADCL keinen neuen Wert in ADCH/ADCL ablegen, bis ADCH gelesen wurde. Ergebnisse von Wandlungen, die zwischen einem Zugriff auf ADCL und ADCH beendet werden, gehen verloren!

Nach einem Zugriff auf ADCL muss grundsätzlich ADCH gelesen werden!

In beiden Fällen – also sowohl bei den Timern als auch beim ADC – werden vom C-Compiler 16-Bit Pseudo-Register zur Verfügung gestellt (z. B. TCNT1H/TCNT1L → TCNT1, ADCH/ADCL → ADC bzw. ADCW), bei deren Verwendung der Compiler automatisch die richtige Zugriffsreihenfolge regelt. In C-Programmen sollten grundsätzlich diese 16-Bit-Register verwendet werden! Sollte trotzdem ein Zugriff auf ein Teilregister erforderlich sein, sind obige Angaben zu berücksichtigen.

Es ist darauf zu achten, dass auch ein Zugriff auf die 16-Bit-Register vom Compiler in zwei 8-Bit-Zugriffe aufgeteilt wird und dementsprechend genauso nicht-atomar ist wie die Einzelzugriffe. Auch hier gilt, dass u.U. die Interrupt-Bearbeitung gesperrt werden muss, um Datenmüll zu vermeiden.

Beim ADC gibt es für den Fall, dass eine Auflösung von 8 Bit ausreicht, die Möglichkeit, das Ergebnis "linksbündig" in ADCH/ADCL auszurichten, so dass die relevanten 8 MSB in ADCH stehen. In diesem Fall muss bzw. sollte nur ADCH ausgelesen werden.

ADC und ADCW sind unterschiedliche Bezeichner für das selbe Registerpaar. Üblicherweise kann man in C-Programmen ADC verwenden, was analog zu den anderen 16-Bit-Registern benannt ist. ADCW (ADC Word) existiert nur deshalb, weil die Headerdateien auch für Assembler vorgesehen sind und es bereits einen Assembler-Befehl namens ''adc'' gibt.

Im Umgang mit 16-Bit Registern siehe auch:
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Related Pages/Frequently Asked Questions/Nr. 8
* Datenblatt Abschnitt ''Accessing 16-bit Registers''

== IO-Register als Parameter und Variablen ==

Um Register als Parameter für eigene Funktionen übergeben zu können, muss man sie als einen volatile uint8_t Pointer übergeben. Zum Beispiel:

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

uint8_t key_pressed (volatile uint8_t *inputreg, uint8_t inputbit)
{
static uint8_t last_state = 0;

if (last_state == (*inputreg & (1<<inputbit)))
return 0; /* keine Änderung */

/* Wenn doch, warten bis etwaiges Prellen vorbei ist: */
_delay_ms(20);

/* Zustand für nächsten Aufruf merken: */
last_state = *inputreg & (1<<inputbit);

/* und den entprellten Tastendruck zurückgeben: */
return *inputreg & (1<<inputbit);
}

/* Beispiel für einen Funktionsaufruf: */

void foo (void)
{
uint8_t i = key_pressed (&PINB, PB1);
}
</c>

Ein Aufruf der Funktion mit call by value würde Folgendes bewirken: Beim Funktionseintritt wird nur eine Kopie des momentanen Portzustandes angefertigt, die sich unabhängig vom tatsächlichen Zustand das Ports nicht mehr ändert, womit die Funktion wirkungslos wäre. Die Übergabe eines Zeigers wäre die Lösung, wenn der Compiler nicht optimieren würde. Denn dadurch wird im Programm nicht von der Hardware gelesen, sondern wieder nur von einem Abbild im Speicher. Das Ergebnis wäre das gleiche wie oben. Mit dem Schlüsselwort volatile sagt man nun dem Compiler, dass die entsprechende Variable entweder durch andere Softwareroutinen (Interrupts) oder durch die Hardware verändert werden kann.

= Zugriff auf IO-Ports =

Jeder AVR implementiert eine unterschiedliche Menge an GPIO-Registern
(GPIO - General Purpose Input/Output). Diese Register dienen dazu:
* einzustellen welche der Anschlüsse ("Beinchen") des Controllers als Ein- oder Ausgänge dienen
* bei Ausgängen deren Zustand festzulegen
* bei Eingängen deren Zustand zu erfassen

Mittels GPIO werden digitale Zustände gesetzt und erfasst, d.h. die Spannung an einem Ausgang wird ein- oder ausgeschaltet und an einem Eingang wird erfasst, ob die anliegende Spannung über oder unter einem bestimmten Schwellwert liegt. Im Datenblatt Abschnitt Electrical Characteristics/DC Characteristics finden sich die Spannungswerte (V_OL, V_OH für Ausgänge, V_IL, V_IH für Eingänge).

Die Verarbeitung von analogen Eingangswerten und die Ausgabe von Analogwerten wird in Kapitel [[AVR-GCC-Tutorial#Analoge_Ein-_und_Ausgabe|Analoge Ein- und Ausgabe]] behandelt.

Alle Ports der AVR-Controller werden über Register gesteuert. Dazu sind jedem Port 3 Register zugeordnet:

{| class="wikitable"
|-
! DDRx
| Datenrichtungsregister für Port'''x'''.
'''x''' entspricht '''A''', '''B''', ''' C''', '''D''' usw. (abhängig von der Anzahl der Ports des verwendeten AVR). Bit im Register gesetzt (1) für Ausgang, Bit gelöscht (0) für Eingang.
|-
! PINx
| Eingangsadresse für Port'''x'''.
Zustand des Ports. Die Bits in PINx entsprechen dem Zustand der als Eingang definierten Portpins. Bit 1 wenn Pin "high", Bit 0 wenn Portpin low.
|-
! PORTx
| Datenregister für Port'''x'''.
Dieses Register wird verwendet, um die Ausgänge eines Ports anzusteuern. Bei Pins, die mittels DDRx auf Eingang geschaltet wurden, können über PORTx
die internen Pull-Up Widerstände aktiviert oder deaktiviert werden (1 = aktiv).
|}

Die folgenden Beispiele gehen von einem AVR aus, der sowohl Port A als auch Port B besitzt. Sie müssen für andere AVRs (zum Beispiel ATmega8/48/88/168) entsprechend angepasst werden.

== Datenrichtung bestimmen ==

Zuerst muss die Datenrichtung der verwendeten Pins bestimmt werden. Um dies zu erreichen, wird das Datenrichtungsregister des entsprechenden Ports beschrieben.

Für jeden Pin, der als Ausgang verwendet werden soll, muss dabei das
entsprechende Bit auf dem Port gesetzt werden. Soll der Pin als Eingang
verwendet werden, muss das entsprechende Bit gelöscht sein.

Beispiel:
Angenommen am Port B sollen die Pins 0 bis 4 als Ausgänge definiert werden, die noch verbleibenden Pins 5 bis 7 sollen als Eingänge fungieren. Dazu ist es daher notwendig, im für das Port B zuständigen Datenrichtungsregister DDRB folgende Bitkonfiguration einzutragen

+---+---+---+---+---+---+---+---+
| 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
+---+---+---+---+---+---+---+---+
7 6 5 4 3 2 1 0

In C liest sich das dann so:

<c>
// in io.h wird u.a. DDRB definiert:
#include <avr/io.h>

int main()
{
// Setzen der Bits 0,1,2,3 und 4
// Binär 00011111 = Hexadezimal 1F
// direkte Zuweisung - standardkonform */
DDRB = 0x1F; /*

// übersichtliche Alternative - Binärschreibweise, aber kein ISO-C
DDRB = 0b00011111;

// Ausführliche Schreibweise: identische Funktionalität, mehr Tipparbeit
// aber übersichtlicher und selbsterklärend:
DDRB = (1 << DDB0) | (1 << DDB1) | (1 << DDB2) | (1 << DDB3) | (1 << DDB4);
</c>

Die Pins 5 bis 7 werden (da 0) als Eingänge geschaltet. Weitere Beispiele:

<c>
// Alle Pins des Ports B als Ausgang definieren:
DDRB = 0xff;
// Pin0 wieder auf Eingang und andere im ursprünglichen Zustand belassen:
DDRB &= ~(1 << DDB0);
// Pin 3 und 4 auf Eingang und andere im ursprünglichen Zustand belassen:
DDRB &= ~((1 << DDB3) | (1 << DDB4));
// Pin 0 und 3 wieder auf Ausgang und andere im ursprünglichen Zustand belassen:
DDRB |= (1 << DDB0) | (1 << DDB3);
// Alle Pins auf Eingang:
DDRB = 0x00;
</c>

== Vordefinierte Bitnummern für I/O-Register ==

Die Bitnummern (z. B. PCx, PINCx und DDCx für den Port C) sind in den io*.h-Dateien der avr-libc definiert und dienen lediglich der besseren Lesbarkeit. Man muss diese Definitionen nicht verwenden oder kann auch einfach "immer" PAx, PBx, PCx usw. nutzen, auch wenn der Zugriff auf Bits in DDRx- oder PINx-Registern erfolgt. Für den Compiler sind die Ausdrücke (1<<PC7), (1<<DDC7) und (1<<PINC7) identisch zu (1<<7) (genauer: der Präprozessor ersetzt die Ausdrücke (1<<PC7),... zu (1<<7)). Ein Ausschnitt der Definitionen für Port C eines ATmega32 aus der iom32.h-Datei zur Verdeutlichung (analog für die weiteren Ports):

<c>
...
/* PORTC */
#define PC7 7
#define PC6 6
#define PC5 5
#define PC4 4
#define PC3 3
#define PC2 2
#define PC1 1
#define PC0 0

/* DDRC */
#define DDC7 7
#define DDC6 6
#define DDC5 5
#define DDC4 4
#define DDC3 3
#define DDC2 2
#define DDC1 1
#define DDC0 0

/* PINC */
#define PINC7 7
#define PINC6 6
#define PINC5 5
#define PINC4 4
#define PINC3 3
#define PINC2 2
#define PINC1 1
#define PINC0 0
</c>

== Digitale Signale ==

Am einfachsten ist es, digitale Signale mit dem Mikrocontroller zu erfassen bzw. auszugeben.

== Ausgänge ==
Will man als Ausgang definierte Pins (entsprechende DDRx-Bits = 1) auf Logisch 1 setzen, setzt man die entsprechenden Bits im Portregister.

Mit dem Befehl
<c>
#include <avr/io.h>
...
PORTB = 0x04; /* besser PORTB=(1<<PB2) */

// übersichtliche Alternative - Binärschreibweise
PORTB = 0b00000100; /* direkte Zuweisung - übersichtlich */

</c>
wird also der Ausgang an Pin PB2 gesetzt (Beachte, dass die Bits immer ''von 0 an'' gezählt werden, das niederwertigste Bit ist also Bitnummer 0 und nicht etwa Bitnummer 1).

Man beachte, dass bei der Zuweisung mittels '''=''' immer alle Pins gleichzeitig angegeben werden. Man sollte also, wenn nur bestimmte Ausgänge geschaltet werden sollen, zuerst den aktuellen Wert des Ports einlesen und das Bit des gewünschten Ports in diesen Wert einfließen lassen. Will man also nur den dritten Pin (Bit Nr. 2) an Port B auf "high" setzen und den Status der anderen Ausgänge unverändert lassen, nutze man diese Form:

<c>
#include <avr/io.h>
...
PORTB = PORTB | 0x04; /* besser: PORTB = PORTB | ( 1<<PB2 ) */
/* vereinfacht durch Nutzung des |= Operators : */
PORTB |= (1<<PB2);

/* auch mehrere "gleichzeitig": */
PORTB |= (1<<PB4) | (1<<PB5); /* Pins PB4 und PB5 "high" */
</c>

"Ausschalten", also Ausgänge auf "low" setzen, erfolgt analog:

<c>
#include <avr/io.h>
...
PORTB &= ~(1<<PB2); /* löscht Bit 2 in PORTB und setzt damit Pin PB2 auf low */
PORTB &= ~( (1<<PB4) | (1<<PB5) ); /* Pin PB4 und Pin PB5 "low" */
</c>
Siehe auch [[Bitmanipulation]]

In Quellcodes, die für ältere Version den des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, werden einzelne Bits mittels der Funktionen sbi und cbi gesetzt bzw. gelöscht. Beide Funktionen sind in aktuellen Versionen der avr-libc nicht mehr enthalten und auch nicht mehr erforderlich.

''Falls der Anfangszustand von Ausgängen kritisch ist, muss die Reihenfolge beachtet werden, mit der die Datenrichtung (DDRx) eingestellt und der Ausgabewert (PORTx) gesetzt wird:''

Für Ausgangspins, die mit Anfangswert "high" initialisiert werden sollen:
* zuerst die Bits im PORTx-Register setzen
* anschließend die Datenrichtung auf Ausgang stellen

Daraus ergibt sich die Abfolge für einen Pin, der bisher als Eingang mit abgeschaltetem Pull-Up konfiguriert war:
* setze PORTx: interner Pull-Up aktiv
* setze DDRx: Ausgang ("high")

Bei der Reihenfolge erst DDRx und dann PORTx kann es zu einem kurzen "low-Puls" kommen, der auch externe Pull-Up-Widerstände "überstimmt". Die (ungünstige) Abfolge: Eingang -> setze DDRx: Ausgang (auf "low", da PORTx nach Reset 0) -> setze PORTx: Ausgang auf high. Vergleiche dazu auch das Datenblatt Abschnitt ''Configuring the Pin''.

== Eingänge (Wie kommen Signale in den µC) ==

Die digitalen Eingangssignale können auf verschiedene Arten zu unserer Logik gelangen.

=== Signalkopplung ===

Am einfachsten ist es, wenn die Signale direkt aus einer anderen digitalen Schaltung übernommen werden können. Hat der Ausgang der entsprechenden Schaltung TTL-Pegel dann können wir sogar direkt den Ausgang der Schaltung mit einem Eingangspin von unserem Controller verbinden.

Hat der Ausgang der anderen Schaltung keinen TTL-Pegel so müssen wir den Pegel über entsprechende Hardware (z. B. Optokoppler, [[Widerstand#Spannungsteiler|Spannungsteiler]], "Levelshifter" aka [[Pegelwandler]]) anpassen.

Die Masse der beiden Schaltungen muss selbstverständlich miteinander verbunden werden. Der Software selber ist es natürlich letztendlich egal, wie das Signal eingespeist wird. Wir können ja ohnehin lediglich prüfen, ob an einem Pin unseres Controllers eine logische 1 (Spannung größer ca. 0,7*Vcc) oder eine logische 0 (Spannung kleiner ca. 0,2*Vcc) anliegt. Detaillierte Informationen darüber, ab welcher Spannung ein Eingang als 0 ("low") bzw. 1 ("high") erkannt wird, liefert die Tabelle DC Characteristics im Datenblatt des genutzten Controllers.

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''Spannungstabelle''' (ca. Grenzwerte)
|
! Low || High
|-
! bei 5 V
| 1 V || 3,5 V
|-
! bei 3,3 V
| 0,66 V || 2,31 V
|-
! bei 1,8 V
| 0,36 V || 1,26 V
|}

Die Abfrage der Zustände der Portpins erfolgt direkt über den Registernamen.

{{Warnung|Dabei ist wichtig, zur Abfrage der Eingänge ''nicht'' etwa Portregister '''PORTx''' zu verwenden, sondern Eingangsregister '''PINx'''. Ansonsten liest man nicht den Zustand der Eingänge, sondern den Status der internen Pull-Up-Widerstände. Die Abfrage der Pinzustände über PORTx statt PINx ist ein häufiger Fehler beim AVR-"Erstkontakt".}}

Will man also die aktuellen Signalzustände von Port D abfragen und in eine Variable namens bPortD abspeichern, schreibt man folgende Befehlszeilen:

<c>
#include <avr/io.h>
#include <stdint.h>
...
uint8_t bPortD;
...
bPortD = PIND;
...
</c>

Mit den C-Bitoperationen kann man den Status der Bits abfragen.

<c>
#include <avr/io.h>
...
/* Fuehre Aktion aus, wenn Bit Nr. 1 (das "zweite" Bit) in PINC gesetzt (1) ist */
if ( PINC & (1<<PINC1) ) {
/* Aktion */
}

/* Fuehre Aktion aus, wenn Bit Nr. 2 (das "dritte" Bit) in PINB geloescht (0) ist */
if ( !(PINB & (1<<PINB2)) ) {
/* Aktion */
}
...
</c>
Siehe auch [[Bitmanipulation#Bits_prüfen]]

=== Interne Pull-Up Widerstände ===

Portpins für Ein- und Ausgänge (GPIO) eines AVR verfügen über zuschaltbare interne Pull-Up Widerstände (nominal mehrere 10kOhm, z. B. ATmega16 20-50kOhm). Diese können in vielen Fällen statt externer Widerstände genutzt werden.

Die internen Pull-Up Widerstände von Vcc zu den einzelnen Portpins werden über das Register ''' PORTx''' aktiviert bzw. deaktiviert, wenn ein Pin als ''' Eingang''' geschaltet ist.

Wird der Wert des entsprechenden Portpins auf 1 gesetzt, so ist der Pull-Up Widerstand aktiviert. Bei einem Wert von 0 ist der Pull-Up Widerstand nicht aktiv. Man sollte jeweils entweder den internen oder einen externen Pull-Up Widerstand verwenden, aber nicht beide zusammen.

Im Beispiel werden alle Pins des Ports D als Eingänge geschaltet und alle Pull-Up Widerstände aktiviert. Weiterhin wird Pin PC7 als Eingang geschaltet und dessen interner Pull-Up Widerstand aktiviert, ohne die Einstellungen für die anderen Portpins (PC0-PC6) zu verändern.

<c>
#include <avr/io.h>
...
DDRD = 0x00; /* alle Pins von Port D als Eingang */
PORTD = 0xff; /* interne Pull-Ups an allen Port-Pins aktivieren */
...
DDRC &= ~(1<<DDRC7); /* Pin PC7 als Eingang */
PORTC |= (1<<PC7); /* internen Pull-Up an PC7 aktivieren */
</c>

=== Tasten und Schalter ===

Der Anschluss mechanischer Kontakte an den Mikrocontroller, ist zwischen zwei unterschiedliche Methoden zu unterscheiden: ''Active Low'' und ''Active High''.

<gallery widths="300" heights="300" caption="Anschluss mechanischer Kontakte an einen µC">
Image:Active Low.gif|'''Active Low:''' Bei dieser Methode wird der Kontakt zwischen den Eingangspin des Controllers und Masse geschaltet. Damit bei offenem Schalter der Controller kein undefiniertes Signal bekommt, wird zwischen die Versorgungsspannung und den Eingangspin ein sogenannter '''Pull-Up''' Widerstand geschaltet. Dieser dient dazu, den Pegel bei geöffnetem Schalter auf logisch 1 zu ziehen.
Image:Active High.gif|'''Active High:''' Hier wird der Kontakt zwischen die Versorgungsspannung und den Eingangspin geschaltet. Damit bei offener Schalterstellung kein undefiniertes Signal am Controller ansteht, wird zwischen den Eingangspin und die Masse ein '''Pull-Down''' Widerstand geschaltet. Dieser dient dazu, den Pegel bei geöffneter Schalterstellung auf logisch 0 zu halten.
</gallery>

Der Widerstandswert von Pull-Up- und Pull-Down-Widerständen ist an sich nicht kritisch. Wird er allerdings zu hoch gewählt, ist die Wirkung eventuell nicht gegeben. Als üblicher Wert haben sich 10 kOhm eingebürgert. Die AVRs verfügen an den meisten Pins über zuschaltbare interne Pull-Up Widerstände (vgl. Abschnitt [[AVR-GCC-Tutorial#Interne Pull-Up Widerstände|Interne Pull-Up Widerstände]]), welche insbesondere wie hier bei Tastern und ähnlichen Bauteilen (z. B. Drehgebern) statt externer Bauteile verwendet werden können. Interne Pull-Down-Widerstand sind nicht verfügbar und müssen daher in Form zusätzlicher Bauteile in die Schaltung eingefügt werden.

==== (Tasten-)Entprellung ====

Siehe: ''[[Entprellung#Warteschleifen-Verfahren|Entprellung: Warteschleifen-Verfahren]]

= Analoge Ein- und Ausgabe =

Analoge Eingangswerte werden in der Regel über den AVR Analog-Digital-Converter (AD-Wandler, ADC) eingelesen, der in vielen Typen verfügbar ist (typisch 10bit Auflösung). Durch diesen werden analoge Signale (Spannungen) in digitale Zahlenwerte gewandelt. Bei AVRs, die über keinen internen AD-Wandler verfügen (z. B. ATmega162), kann durch externe Beschaltung (R/C-Netzwerk und "Zeitmessung") die Funktion des AD-Wandlers "emuliert" werden.

Es gibt innerhalb der ATMega- und ATTiny-AVR Reihe keine Typen mit eingebautem Digital-Analog-Konverter (DAC) - diese Funktion ist erst ab der XMEGA-Reihe der AVR-Familie verfügbar, die aber wegen ihrer vielen Unterschiede im Umfang dieses Tutorials nicht behandelt wird.
Die Umsetzung zu einer analogen Spannung muss daher durch externe Komponenten vorgenommen werden. Das kann z. B. durch PWM und deren Filterung zu (fast) DC, oder einem sogenannten R2R-Netzwerk erfolgen.

Unabhängig davon besteht natürlich immer die Möglichkeit, spezielle Bausteine zur Analog-Digital- bzw. Digital-Analog-Wandlung zu nutzen und diese über eine digitale Schnittstelle (z.b. SPI oder I2C) mit einem AVR anzusteuern.

== AC (Analog Comparator) ==

Der Comparator vergleicht 2 Spannungen an den Pins AIN0 und AIN1 und gibt einen Status aus welche der beiden Spannungen größer ist. AIN0 Dient dabei als Referenzspannung (Sollwert) und AIN1 als Vergleichsspannung (Istwert). Als Referenzspannung kann auch alternativ eine interne Referenzspannung ausgewählt werden.

Liegt die Vergleichsspannung (IST) unter der der Referenzspannung (SOLL) gibt der Comperator eine logische 1 aus. Ist die Vergleichsspannung hingegen größer als die Referenzspannung wird eine logische 0 ausgegeben.

Der Comparator arbeitet völlig autark bzw. parallel zum Prozessor. Für mobile Anwendungen empfiehlt es sich ihn abzuschalten sofern er nicht benötigt wird, da er ansonsten Strom benötigt. Der Comparator kann Interruptgesteuert abgefragt werden oder im Pollingbetrieb.

Das Steuer- bzw. Statusregister ist wie folgt aufgebaut:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''ACSR - Analog Comparator Status Register'''
|-
! Bit
| 7|| 6|| 5|| 4|| 3|| 2|| 1|| 0
|-
! Name
| '''ACD'''|| '''ACBG'''|| '''ACO'''|| '''ACI'''|| '''ACIE'''|| '''ACIC'''|| '''ACIS1'''|| '''ACIS0'''
|-
! R/W
| R/W|| R/W|| R|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W
|-
! Initialwert
| 0|| 0|| n/a|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0
|}

;Bit 7 ACD: Analog Comparator Disable: 0 = Comparator ein, 1 = Comparator aus. Wird dieses Bit geändert kann ein Interrupt ausgelöst werden. Soll dies vermieden werden muss das Bit 3 ACIE ggf. abgeschaltet werden.

;Bit 6 ACBG: Analog Comparator Bandgap Select: Ermöglicht das umschalten zwischen interner und externer Referenzspannung. 1 = interne (~1,3 Volt), 0 = externe Referenzspannung (an Pin AIN0)

;Bit 5 ACO: Analog Comparator Output: Hier wird das Ergebnis des Vergleichs angezeigt. Es liegt typischerweise nach 1-2 Taktzyklen vor.
:: IST < SOLL → 1
:: IST > SOLL → 0

;Bit 4 ACI: Analog Comparator Interrupt Flag: Dieses Bit wird von der Hardware gesetzt, wenn ein Interruptereignis, das in Bit 0 und 1 definiert ist, eintritt. Dieses Bit löst noch keinen Interrupt aus! Die Interruptroutine wird nur dann ausgeführt, wenn das Bit 3 ACIE gesetzt ist und global Interrupts erlaubt sind (I-Bit in SREG gesetzt). Das Bit 4 ACI wird wieder gelöscht, wenn die Interruptroutine ausgeführt wurde oder wenn es manuell auf 1! gesetzt wird. Das Bit kann für Abfragen genutzt werden, steuert oder konfiguriert aber nicht den Comparator.

;Bit 3 ACIE: Analog Comparator Interrupt Enable: Ist das Bit auf 1 gesetzt, wird immer ein Interrupt ausgelöst, wenn das Ereignis das in Bit 1 und 0 definiert ist, eintritt.

;Bit 2 ACIC: Analog Comparator Input Capture Enable: Wird das Bit gesetzt, wird der Comparatorausgang intern mit dem Counter 1 verbunden. Es könnten damit z.b. die Anzahl der Vergleiche im Counter1 gezählt werden. Um den Comparator an den Timer1 Input Capture Interrupt zu verbinden, muss im Timerregister das TICIE1 Bit auf 1 gesetzt werden. Der Trigger wird immer dann ausgelöst, wenn das in Bit 1 und 0 definierte Ereignis eintritt.

;Bit 1,0 ACIS1,ACIS0: Analog Comparator Interrupt select: Hier wird definiert, welche Ereignisse einen Interrupt auslösen sollen:
:* 00 = Interrupt auslösen bei jedem Flankenwechsel
:* 10 = Interrupt auslösen bei fallender Flanke
:* 11 = Interrupt auslösen bei steigender Flanke

Werden diese Bit geändert, kann ein Interrupt ausgelöst werden. Soll dies vermieden werden, muss das Bit 3 gelöscht werden.

== ADC (Analog Digital Converter) ==

Der Analog-Digital-Konverter (ADC) wandelt analoge Signale in digitale Werte um, welche vom Controller interpretiert werden können. Einige AVR-Typen haben bereits einen mehrkanaligen Analog-Digital-Konverter eingebaut. Die Feinheit, mit welcher ein analoges Signal aufgelöst werden kann, wird durch die Auflösung des ADC, d.h. durch die Anzahl der verwendeten Bits angegeben. So sind derzeit bspw. 8-Bit- oder 10-Bit-ADC im Einsatz. ADCs, die in AVRs enthalten sind, haben zur Zeit eine maximale Auflösung von 10-Bit.

Ein ADC mit 8 Bit Auflösung kann somit das analoge Signal in Abstufungen von 1/256 des Maximalwertes digitalisieren. Wenn wir nun mal annehmen, wir hätten eine Eingangspannung zwischen 0 und 5 Volt, eine Referenzspannung von 5 V und eine Auflösung von 3 Bit, dann könnten
Intervalle mit den Grenzen 0 V, 0.625 V, 1.25 V, 1.875 V, 2.5 V, 3.125 V, 3.75 V, 4.375 V, 5 V entsprechend folgender Tabelle unterschieden werden:

::{| class="wikitable" style="text-align:center"
! Eingangsspannung am ADC / V || Entsprechender Messwert
|-
| 0 – 0.625 || 0
|-
| 0.625 – 1.25 || 1
|-
| 1.25 – 1.875 || 2
|-
| 1.875 – 2.5 || 3
|-
| 2.5 – 3.125 || 4
|-
| 3.125 – 3.75 || 5
|-
| 3.75 – 4.375 || 6
|-
| 4.375 – 5 || 7
|}

Die Angaben sind natürlich nur ungefähr. Je höher nun die Auflösung des Analog-Digital-Konverters ist, also, je mehr Bits er hat, desto genauer kann der jeweilige Wert erfasst werden.

=== Der interne ADC im AVR ===

Oft sind auch mehrere Kanäle verfügbar. Kanäle heißt in diesem Zusammenhang, dass zwar bis zu zehn analoge Eingänge am AVR vorhanden sind, aber nur ein "echter" Analog-Digital-Wandler zur Verfügung steht. Vor der eigentlichen Messung ist also festzulegen, welcher Kanal ("Pin") mit dem Wandler verbunden und gemessen wird.

Die Umwandlung innerhalb des AVR basiert auf der schrittweisen Näherung. Beim AVR müssen die Pins '''AGND''' und '''AVCC''' beschaltet werden. Für genaue Messungen sollte AVCC über ein L-C Netzwerk mit VCC verbunden werden, um Spannungsspitzen und -einbrüche vom Analog-Digital-Wandler fernzuhalten. Im Datenblatt findet sich dazu eine Schaltung, die 10uH und 100nF vorsieht.

Das Ergebnis der Analog-Digital-Wandlung wird auf eine Referenzspannung bezogen. Aktuelle AVRs bieten drei Möglichkeiten zur Wahl dieser Spannung:

* Eine externe Referenzspannung von maximal '''Vcc''' am Anschlusspin '''AREF'''. Die minimale (externe) Referenzspannung darf jedoch nicht beliebig niedrig sein, vgl. dazu das (aktuellste) Datenblatt des verwendeten Controllers.

* Verfügt der AVR über eine interne Referenzspannung, kann diese genutzt werden. Alle aktuellen AVRs mit internem AD-Wandler sollten damit ausgestattet sein (vgl. Datenblatt: 2,56V oder 1,1V je nach Typ). Das Datenblatt gibt auch über die Genauigkeit dieser Spannung Auskunft.

* Es kann die Spannung AVcc als Referenzspannung herangezogen werden

Bei Nutzung von AVcc oder der internen Referenz wird empfohlen, einen Kondensator zwischen dem AREF-Pin und GND anzuordnen. Die Festlegung, welche Spannungsreferenz genutzt wird, erfolgt z. B. beim ATmega16 mit den Bits REFS1/REFS0 im ADMUX-Register. Die zu messende Spannung muss im Bereich zwischen '''AGND''' und '''AREF''' (egal ob intern oder extern) liegen.

Der '''ADC''' kann in zwei verschiedenen Betriebsarten verwendet werden:

; Einfache Wandlung (Single Conversion) : In dieser Betriebsart wird der Wandler bei Bedarf vom Programm angestoßen für jeweils eine Messung.

; Frei laufend (Free Running) : In dieser Betriebsart erfasst der Wandler permanent die anliegende Spannung und schreibt diese in das '''ADC Data Register'''.

==== Die Register des ADC ====

Der '''ADC''' verfügt über eigene Register. Im Folgenden die Registerbeschreibung eines ATMega16, welcher über 8 ADC-Kanäle verfügt. Die Register unterscheiden sich jedoch nicht erheblich von denen anderer AVRs (vgl. Datenblatt).

{| class="wikitable"
|-
| '''ADCSRA   '''
| '''ADC''' '''C'''ontrol and '''S'''tatus '''R'''egister A. 
In diesem Register stellen wir ein, wie wir den '''ADC''' verwenden möchten. 
Das Register ist wie folgt aufgebaut:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7|| 6|| 5|| 4|| 3|| 2|| 1|| 0
|-
! Name
| '''ADEN'''|| '''ADSC'''|| '''ADFR'''|| '''ADIF'''|| '''ADIE'''|| '''ADPS2'''|| '''ADPS1'''|| '''ADPS0'''
|-
! R/W
| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W
|-
! Initialwert
| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0
|}

'''ADEN''' ('''AD'''C '''En'''able)
:Dieses Bit muss gesetzt werden, um den ''' ADC''' überhaupt zu aktivieren. Wenn das Bit nicht gesetzt ist, können die Pins wie normale I/O-Pins verwendet werden.

'''ADSC''' ('''AD'''C '''S'''tart '''C'''onversion)
:Mit diesem Bit wird ein Messvorgang gestartet. In der frei laufenden Betriebsart muss das Bit gesetzt werden, um die kontinuierliche Messung zu aktivieren.
:Wenn das Bit nach dem Setzen des '''ADEN'''-Bits zum ersten Mal gesetzt wird, führt der Controller zuerst eine zusätzliche Wandlung und erst dann die eigentliche Wandlung aus. Diese zusätzliche Wandlung wird zu Initialisierungszwecken durchgeführt.
:Das Bit bleibt nun so lange auf 1, bis die Umwandlung abgeschlossen ist, im Initialisierungsfall entsprechend bis die zweite Umwandlung erfolgt ist und geht danach auf 0.

'''ADFR''' ('''AD'''C '''F'''ree '''R'''un select)
:Mit diesem Bit wird die Betriebsart eingestellt.
:Ist das Bit auf 1 gesetzt arbeitet der ADC im "Free Running"-Modus. Dabei wird das Datenregister permanent aktualisiert. Ist das Bit hingegen auf 0 gesetzt, macht der ADC nur eine "Single Conversion".

'''ADIF''' ('''AD'''C '''I'''nterrupt '''F'''lag)
:Dieses Bit wird vom ''' ADC''' gesetzt, sobald eine Umwandlung erfolgt ist und das '''ADC Data Register''' aktualisiert wurde. Das Bit wird bei lesendem Zugriff auf '''ADC(L,H)''' automatisch (d.h. durch die Hardware) gelöscht.
:Wenn das '''ADIE''' Bit sowie das '''I-Bit''' im AVR '''Statusregister''' gesetzt ist, wird der '''ADC Interrupt''' ausgelöst und die Interrupt-Behandlungsroutine aufgerufen.
:Das Bit wird automatisch gelöscht, wenn die Interrupt-Behandlungsroutine aufgerufen wird. Es kann jedoch auch gelöscht werden, indem eine logische '''1'''! in das Register geschrieben wird.

'''ADIE''' ('''AD'''C '''I'''nterrupt '''E'''nable)
:Wenn dieses Bit gesetzt ist und ebenso das ''' I-Bit''' im Statusregister '''SREG''', dann wird der ''' ADC-Interrupt''' aktiviert.

'''ADPS2...ADPS0''' ('''AD'''C '''P'''rescaler '''S'''elect Bits)
:Diese Bits bestimmen den Teilungsfaktor zwischen der Taktfrequenz und dem Eingangstakt des '''ADC'''.
:Der '''ADC''' benötigt einen eigenen Takt, welchen er sich selber aus der CPU-Taktfreqenz erzeugt. Der '''ADC'''-Takt sollte zwischen 50 und 200kHz liegen.
:Der Vorteiler muss also so eingestellt werden, dass CPU-Taktfrequenz dividiert durch den Teilungsfaktor einen Wert im Bereich '''(50-200)kHz''' ergibt.
:Bei einer CPU-Taktfrequenz von 4MHz beispielsweise rechnen wir

:<math>
\begin{matrix}
TF_{min}=\frac{CLK}{200\,\mathrm{kHz}}=\frac{4000000}{200000}=\mathbf{20}
\\
\\
TF_{max}=\frac{CLK}{50\,\mathrm{kHz}}=\frac{4000000}{50000}=\mathbf{80}
\end{matrix}
</math>

:Somit kann hier der Teilungsfaktor 32 oder 64 verwendet werden. Im Interesse der schnelleren Wandlungszeit werden wir hier den Faktor 32 einstellen.

:{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! '''ADPS2'''|| '''ADPS1'''|| '''ADPS0'''|| '''Teilungsfaktor'''
|-
| 0|| 0|| 0|| 2
|-
| 0|| 0|| 1|| 2
|-
| 0|| 1|| 0|| 4
|-
| 0|| 1|| 1|| 8
|-
| 1|| 0|| 0|| 16
|-
| 1|| 0|| 1|| 32
|-
| 1|| 1|| 0|| 64
|-
| 1|| 1|| 1|| 128
|}

|-
| '''ADCL''' 
'''ADCH'''
| '''ADC ''' Data Register 
Wenn eine Umwandlung abgeschlossen ist, befindet sich der gemessene Wert in
diesen beiden Registern. Von '''ADCH''' werden nur die beiden niederwertigsten Bits verwendet. Es müssen immer beide Register ausgelesen werden, und zwar immer '''in der Reihenfolge: ADCL, ADCH'''.
Der effektive Messwert ergibt sich dann zu:

<c>
x = ADCL; // mit uint16_t x
x += (ADCH<<8); // in zwei Zeilen (LSB/MSB-Reihenfolge und
// C-Operatorpriorität sichergestellt)
</c>

oder

<c>
x = ADCW; // je nach AVR auch x = ADC (siehe avr/ioxxx.h)
</c>

|-
| '''ADMUX  '''
| '''AD'''C '''Mu'''ltiple'''x'''er Select Register 
Mit diesem Register wird der zu messende Kanal ausgewählt. Beim 90S8535
kann jeder Pin von Port A als '''ADC'''-Eingang verwendet werden (=8 Kanäle). 
Das Register ist wie folgt aufgebaut:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7|| 6|| 5|| 4|| 3|| 2|| 1|| 0
|-
! Name
| '''REFS1'''|| '''REFS0'''|| '''ADLAR'''|| '''MUX4'''|| '''MUX3'''|| '''MUX2'''|| '''MUX1'''|| '''MUX0'''
|-
! '''R/W'''
| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W
|-
! Initialwert
| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0
|}

'''REFS1...REFS0''' ('''Ref'''erence'''S'''election Bits)
:Mit diesen Bits kann die Referenzspannung eingestellt werden. Bei der Umstellung sind Wartezeiten zu beachten, bis die ADC-Hardware einsatzfähig ist (Datenblatt und [http://www.mikrocontroller.net/topic/165513]):

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! '''REFS1'''|| '''REFS0'''|| '''Referenzspanung'''
|-
| 0|| 0|| Externes AREF
|-
| 0|| 1|| AVCC als Referenz
|-
| 1|| 0|| Reserviert
|-
| 1|| 1|| Interne 2,56 Volt
|}

'''ADLAR''' ('''ADC ''' '''L'''eft '''A'''djust '''R'''esult)
:Das ADLAR Bit verändert das Aussehen des Ergebnisses der AD-Wandlung. Bei einer logischen 1 wird das Ergebnis linksbündig ausgegeben, bei einer 0 rechtsbündig. Eine Änderung in diesem Bit beeinflusst das Ergebnis sofort, ganz egal ob bereits eine Wandlung läuft.

'''MUX4...MUX0'''
:Mit diesen 5 Bits wird der zu messende Kanal bestimmt. Wenn man einen einfachen 1-kanaligen ADC verwendet wird einfach die entsprechende Pinnummer des Ports in die Bits 0...2 eingeschrieben.
:Wenn das Register beschrieben wird, während dem eine Umwandlung läuft, so wird zuerst die aktuelle Umwandlung auf dem bisherigen Kanal beendet. Dies ist vor allem beim frei laufenden Betrieb zu berücksichtigen.

:Eine Empfehlung ist deswegen diese, dass der frei laufende Betrieb nur bei einem einzelnen zu verwendenden Analogeingang verwendet werden sollte, wenn man sich Probleme bei der Umschalterei ersparen will.
|}

==== Nutzung des ADC ====

Um den ''' ADC''' zu aktivieren, müssen wir das '''ADEN'''-Bit im '''ADCSR'''-Register setzen. Im gleichen Schritt legen wir auch die Betriebsart fest.

Ein kleines Beispiel für den "single conversion"-Mode bei einem ATmega169 und Nutzung der internen Referenzspannung (beim '169 1,1V bei anderen AVRs auch 2,56V). D.h. das Eingangssignal darf diese Spannung nicht überschreiten, gegebenenfalls muss es mit einem [[Spannungsteiler]] verringert werden. Das Ergebnis der Routine ist der ADC-Wert, also 0 für 0-Volt und 1023 für V_ref-Volt.

In der praktischen Anwendung wird man zum Programmstart den ADC erst einmal grundlegend konfigurieren und dann auf verschiedenen Kanälen messen. Diese beiden Dinge sollte man meist trennen, denn das Einschalten des ADC und vor allem der Referenzspannung dauert ein paar Dutzend Mikrosekunden. Außerdem ist das erste Ergebnis nach dem Einschalten ungültig und muss verworfen werden.

<c>

/* ADC initialisieren */
void ADC_Init(void) {

uint16_t result;

// ADMUX = (0<<REFS1) | (1<<REFS0); // AVcc als Referenz benutzen
ADMUX = (1<<REFS1) | (1<<REFS0); // interne Referenzspannung nutzen
ADCSRA = (1<<ADPS1) | (1<<ADPS0); // Frequenzvorteiler
ADCSRA |= (1<<ADEN); // ADC aktivieren

/* nach Aktivieren des ADC wird ein "Dummy-Readout" empfohlen, man liest
also einen Wert und verwirft diesen, um den ADC "warmlaufen zu lassen" */

ADCSRA |= (1<<ADSC); // eine ADC-Wandlung
while (ADCSRA & (1<<ADSC) ) {} // auf Abschluss der Konvertierung warten
/* ADCW muss einmal gelesen werden, sonst wird Ergebnis der nächsten
Wandlung nicht übernommen. */
result = ADCW;
}

/* ADC Einzelmessung */
uint16_t ADC_Read( uint8_t channel )
{
// Kanal waehlen, ohne andere Bits zu beeinflußen
ADMUX = (ADMUX & ~(0x1F)) | (channel & 0x1F);
ADCSRA |= (1<<ADSC); // eine Wandlung "single conversion"
while (ADCSRA & (1<<ADSC) ) {} // auf Abschluss der Konvertierung warten
return ADCW; // ADC auslesen und zurückgeben
}

/* ADC Mehrfachmessung mit Mittelwertbbildung */
uint16_t ADC_Read_Avg( uint8_t channel, uint8_t average )
{
uint32_t result = 0;

for (uint8_t i = 0; i < average; ++i )
result += ADC_Read( channel );

return (uint16_t)( result / average );
}

...

/* Beispielaufrufe: */

int main()
{
uint16_t adcval;
ADC_Init();

while( 1 ) {
adcval = ADC_Read(0); // Kanal 0
// mach was mit adcval

adcval = ADC_Read_Avg(2, 4); // Kanal 2, Mittelwert aus 4 Messungen
// mach was mit adcval
}
}

</c>

Im Beispiel läuft der ADC ständig. Für den Fall, dass man Strom sparen will, z.B. mittels Verwendung des [[Sleep Mode]]s, muss man den ADC nach jeder Messung abschalten und vor der nächsten Messung wieder einschalten, wobei auch dann wieder eine kleine Pause und Anfangswandlung nötig sind.



=== Analog-Digital-Wandlung ohne internen ADC ===

==== Messen eines Widerstandes ====

[[Image:Poti.gif|framed|right]]
Analoge Werte lassen sich ohne Analog-Digital-Wandler auch indirekt ermitteln. Im Folgenden wird die Messung des an einem Potentiometer eingestellten Widerstands anhand der Ladekurve eines Kondensators erläutert. Bei dieser Methode wird nur ein Portpin benötigt, ein Analog-Digital-Wandler oder Analog-Comparator ist nicht erforderlich. Es wird dazu ein Kondensator und der Widerstand (das Potentiometer) in Reihe zwischen Vorsorgungsspannung und Masse/GND geschaltet (sogen. RC-Netzwerk). Zusätzlich wird eine Verbindung der Leitung zwischen Kondensator und Potentiometer zu einem Portpin des Controllers hergestellt. Die folgende Abbildung verdeutlicht die erforderliche Schaltung.

Wird der Portpin des Controllers auf Ausgang konfiguriert (im Beispiel ''DDRD |= (1<<PD2)'') und dieser Ausgang auf Logisch 1 ("High", ''PORTD |= (1<<PD2)'') geschaltet, liegt an beiden "Platten" des Kondensators das gleiche Potential '''VCC''' an und der Kondensator somit entladen. (Klingt komisch, mit ''' Vcc''' entladen, ist aber so, da an beiden Seiten des Kondensators das gleiche Potential anliegt und somit eine Potentialdifferenz von 0V besteht => Kondensator ist entladen).

Nach einer gewissen Zeit ist der Kondensator entladen und der Portpin wird als Eingang konfiguriert (''DDRD &= ~(1<<PD2); PORTD &= ~(1<<PD2)''), wodurch dieser hochohmig wird. Der Status des Eingangspin (in PIND) ist Logisch 1 (High). Der Kondensator lädt sich jetzt über das Poti auf, dabei steigt der Spannungsabfall über dem Kondensator und derjenige über dem Poti sinkt. Fällt nun der Spannungsabfall über dem Poti unter die Threshold-Spannung des Eingangspins (2/5 Vcc, also ca. 2V), wird das Eingangssignal als LOW erkannt (Bit in PIND wird 0). Die Zeitspanne zwischen der Umschaltung von Entladung auf Aufladung und dem Wechsel des Eingangssignals von High auf Low ist ein Maß für den am Potentiometer eingestellten Widerstand. Zur Zeitmessung kann einer der im Controller vorhandenen Timer genutzt werden. Der 220 Ohm Widerstand dient dem Schutz des Controllers. Es würde sonst bei Maximaleinstellung des Potentionmeters (hier 0 Ohm) ein zu hoher Strom fließen, der die Ausgangsstufe des Controllers zerstört.

Mit einem weiteren Eingangspin und ein wenig Software können wir auch eine Kalibrierung realisieren, um den Messwert in einen vernünftigen Bereich (z.B: 0...100 % oder so) umzurechnen.



==== ADC über Komparator ====

[[Image:ADC ueber Komparator.gif|framed|right]]
Es gibt einen weiteren Weg, eine analoge Spannung mit Hilfe des
Komparators, welcher in fast jedem AVR integriert ist, zu messen. Siehe dazu
auch die Application Note AVR400 von Atmel.

Dabei wird das zu messende Signal auf den invertierenden Eingang
des Komparators geführt. Zusätzlich wird ein Referenzsignal an den nicht
invertierenden Eingang des Komparators angeschlossen. Das Referenzsignal wird
hier auch wieder über ein RC-Glied erzeugt, allerdings mit festen Werten für R
und C.

Das Prinzip der Messung ist nun dem vorhergehenden recht
ähnlich. Durch Anlegen eines LOW-Pegels an Pin 2 wird der Kondensator zuerst
einmal entladen. Auch hier muss darauf geachtet werden, dass der Entladevorgang
genügend lang dauert.
Nun wird Pin 2 auf HIGH gelegt. Der Kondensator wird geladen. Wenn die Spannung
über dem Kondensator die am Eingangspin anliegende Spannung erreicht hat,
schaltet der Komparator durch. Die Zeit, welche benötigt wird, um den
Kondensator zu laden, kann nun auch wieder als Maß für die Spannung an Pin 1
herangezogen werden.

Ich habe es mir gespart, diese Schaltung auch aufzubauen, und zwar aus mehreren Gründen:

# 3 Pins notwendig.
# Genauigkeit vergleichbar mit einfacherer Lösung.
# War einfach zu faul.

Der Vorteil dieser Schaltung liegt allerdings darin, dass damit direkt Spannungen gemessen werden können.

== DAC (Digital Analog Converter) ==

Mit Hilfe eines Digital-Analog-Konverters ('''DAC''') können wir nun auch Analogsignale ausgeben. Es gibt hier mehrere Verfahren. 

=== DAC über mehrere digitale Ausgänge ===

Wenn wir an den Ausgängen des Controllers ein entsprechendes
Widerstandsnetzwerk aufbauen haben wir die Möglichkeit, durch die Ansteuerung
der Ausgänge über den Widerständen einen Addierer aufzubauen, mit dessen
Hilfe wir eine dem Zahlenwert proportionale Spannung erzeugen können. Das
Schaltbild dazu kann etwa so aussehen:

[[Image:DAC R2R.gif]]

Es sollten selbstverständlich möglichst genaue Widerstände verwendet
werden, also nicht unbedingt solche mit einer Toleranz von 10% oder mehr.
Weiterhin empfiehlt es sich, je nach Anwendung den Ausgangsstrom über einen
Operationsverstärker zu verstärken.

=== PWM (Pulsweitenmodulation) ===

Wir kommen nun zu einem Thema, welches in aller Munde ist, aber viele
Anwender verstehen nicht ganz, wie [[PWM]] eigentlich funktioniert.

Wie wir alle wissen, ist ein Mikrocontroller ein rein digitales Bauteil.
Definieren wir einen Pin als Ausgang, dann können wir diesen Ausgang entweder
auf HIGH setzen, worauf am Ausgang die Versorgungsspannung ''' Vcc''' anliegt, oder aber wir setzen den Ausgang auf LOW, wonach dann ''' 0V''' am Ausgang liegt. Was passiert aber nun, wenn wir periodisch mit einer festen Frequenz zwischen HIGH und LOW umschalten? - Richtig, wir erhalten eine Rechteckspannung, wie die folgende Abbildung zeigt:

[[Image:PWM Theorie 1.gif]]

Diese Rechteckspannung hat nun einen arithmetischen Mittelwert,
der je nach Pulsbreite kleiner oder größer ist.

[[Image:PWM Theorie 2.gif]]

Wenn wir nun diese pulsierende Ausgangsspannung noch über ein RC-Glied filtern/"glätten", dann haben wir schon eine entsprechende Gleichspannung erzeugt.

Mit den AVRs können wir direkt PWM-Signale erzeugen.
Dazu dient der 16-Bit Zähler, welcher im sogenannten PWM-Modus betrieben werden kann.

;Hinweis: In den folgenden Überlegungen wird als Controller der 90S2313 vorausgesetzt. Die Theorie ist bei anderen AVR-Controllern vergleichbar, die Pinbelegung allerdings nicht unbedingt, weshalb ein Blick ins entsprechende Datenblatt dringend angeraten wird.

Um den PWM-Modus zu aktivieren, müssen im Timer/Counter1 Control
Register A TCCR1A die Pulsweiten-Modulatorbits PWM10 bzw. PWM11 entsprechend nachfolgender Tabelle gesetzt werden:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! PWM11 || PWM10 || Bedeutung
|-
| 0 || 0 || PWM-Modus des Timers ist nicht aktiv
|-
| 0 || 1 || 8-Bit PWM
|-
| 1 || 0 || 9-Bit PWM
|-
| 1 || 1 || 10-Bit PWM
|}

Der Timer/Counter zählt nun permanent von 0 bis zur Obergrenze
und wieder zurück, er wird also als sogenannter Auf-/Ab Zähler betrieben.
Die Obergrenze hängt davon ab, ob wir mit 8, 9 oder 10-Bit PWM arbeiten wollen:

{| class="wikitable"
|-
! Auflösung || Obergrenze || Frequenz
|-
| align="center" | 8
| align="center" | 255
| fTC1 / 510
|-
| align="center" | 9
| align="center" | 511
| fTC1 / 1022
|-
| align="center" | 10
| align="center" | 1023
| fTC1 / 2046
|}

Zusätzlich muss mit den Bits '''COM1A1''' und '''COM1A0''' desselben
Registers die gewünschte Ausgabeart des Signals definiert werden:

{| class="wikitable"
|-
! COM1A1 || COM1A0 || Bedeutung
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| Keine Wirkung, Pin wird nicht geschaltet.
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| Keine Wirkung, Pin wird nicht geschaltet.
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| Nicht invertierende PWM. 
Der Ausgangspin wird gelöscht beim Hochzählen und gesetzt beim
Herunterzählen.
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| Invertierende PWM. 
Der Ausgangspin wird gelöscht beim Herunterzählen und gesetzt beim
Hochzählen.
|}

Der entsprechende Befehl, um beispielsweise den Timer/Counter als
nicht invertierenden 10-Bit PWM zu verwenden, heißt dann:

alte Schreibweise (PWMxx wird nicht mehr akzeptiert)
<c>
TCCR1A = (1<<PWM11)|(1<<PWM10)|(1<<COM1A1);
</c>
neue Schreibweise
<c>
TCCR1A = (1<<WGM11)|(1<<WGM10)|(1<<COM1A1);
</c>

Damit der Timer/Counter überhaupt läuft, müssen wir im Control
Register B '''TCCR1B''' noch den gewünschten Takt (Vorteiler) einstellen und
somit auch die Frequenz des '''PWM'''-Signals bestimmen.

{| class="wikitable"
|-
! CS12 || CS11 || CS10 || Bedeutung
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| Stop. Der Timer/Counter wird gestoppt.
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| CK
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| CK / 8
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| CK / 64
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| CK / 256
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| CK / 1024
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| Externer Pin 1, negative Flanke
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| Externer Pin 1, positive Flanke
|}

Also um einen Takt von CK / 1024 zu generieren, verwenden wir
folgenden Befehl:

<c>
TCCR1B = (1<<CS12) | (1<<CS10);
</c>

Jetzt muss nur noch der Vergleichswert festgelegt werden. Diesen
schreiben wir in das 16-Bit Timer/Counter Output Compare Register '''OCR1A'''.

<c>
OCR1A = xxx;
</c>

Die folgende Grafik soll den Zusammenhang zwischen dem Vergleichswert und dem generierten '''PWM'''-Signal aufzeigen.

[[Image:PWM Theorie 3.gif]]

[[Image:PWM Theorie 4.gif]]

Ach ja, fast hätte ich's vergessen. Das generierte '''PWM'''-Signal
wird am Output Compare Pin '''OC1''' des Timers ausgegeben und leider können wir
deshalb auch beim AT90S2313 nur ein einzelnes '''PWM'''-Signal mit dieser Methode generieren. Andere AVR-Typen verfügen über bis zu vier PWM-Ausgänge. Zu beachten ist außerdem, das wenn der OC Pin aktiviert ist, er nichtmehr wie üblich funktioniert und z. B. nicht einfach über PINx ausgelesen werden kann.

Ein Programm, welches an einem ATmega8 den Fast-PWM Modus verwendet, den Modus 14, könnte so aussehen
<C>
#include <avr/io.h>

int main()
{
// OC1A auf Ausgang
DDRB = (1 << PB1 ); //ATMega8
// DDRD = (1 << PD5 ); //ATMega16
//
// Timer 1 einstellen
//
// Modus 14:
// Fast PWM, Top von ICR1
//
// WGM13 WGM12 WGM11 WGM10
// 1 1 1 0
//
// Timer Vorteiler: 1
// CS12 CS11 CS10
// 0 0 1
//
// Steuerung des Ausgangsport: Set at BOTTOM, Clear at match
// COM1A1 COM1A0
// 1 0

TCCR1A = (1<<COM1A1) | (1<<WGM11);
TCCR1B = (1<<WGM13) | (1<<WGM12) | (1<<CS10);

// den Endwert (TOP) für den Zähler setzen
// der Zähler zählt bis zu diesem Wert

ICR1 = 0x6FFF;

// der Compare Wert
// Wenn der Zähler diesen Wert erreicht, wird mit
// obiger Konfiguration der OC1A Ausgang abgeschaltet
// Sobald der Zähler wieder bei 0 startet, wird der
// Ausgang wieder auf 1 gesetzt
//
// Durch Verändern dieses Wertes, werden die unterschiedlichen
// PWM Werte eingestellt.

OCR1A = 0x3FFF;

while (1) {}
}
</C>

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''PWM-Mode Tabelle aus dem Datenblatt des ATmega8515'''
|-
!Mode || WGM13 || WGM12 || WGM11 || WGM10 || Timer/Counter Mode of Operation
! TOP|| Update of OCR1x at || TOV1 Flag set on
|-
! 0
| 0
| 0
| 0
| 0
| Normal
| 0xFFFF
| Immediate
| MAX
|-
! 1
| 0
| 0
| 0
| 1
| PWM, Phase Correct, 8-Bit
| 0x00FF
| TOP
| BOTTOM
|-
! 2
| 0
| 0
| 1
| 0
| PWM, Phase Correct, 9-Bit
| 0x01FF
| TOP
| BOTTOM
|-
! 3
| 0
| 0
| 1
| 1
| PWM, Phase Correct, 10-Bit
| 0x03FF
| TOP
| BOTTOM
|-
! 4
| 0
| 1
| 0
| 0
| CTC
| OCR1A
| Immediate
| MAX
|-
! 5
| 0
| 1
| 0
| 1
| Fast PWM, 8-Bit
| 0x00FF
| BOTTOM
| TOP
|-
! 6
| 0
| 1
| 1
| 0
| Fast PWM, 9-Bit
| 0x01FF
| BOTTOM
| TOP
|-
! 7
| 0
| 1
| 1
| 1
| Fast PWM, 10-Bit
| 0x03FF
| BOTTOM
| TOP
|-
! 8
| 1
| 0
| 0
| 0
| PWM, Phase an Frequency Correct
| ICR1
| BOTTOM
| BOTTOM
|-
! 9
| 1
| 0
| 0
| 1
| PWM, Phase an Frequency Correct
| OCR1A
| BOTTOM
| BOTTOM
|-
! 10
| 1
| 0
| 1
| 0
| PWM, Phase Correct
| ICR1
| TOP
| BOTTOM
|-
! 11
| 1
| 0
| 1
| 1
| PWM, Phase an Frequency Correct
| OCR1A
| TOP
| BOTTOM
|-
! 12
| 1
| 1
| 0
| 0
| CTC
| ICR1
| Immediate
| MAX
|-
! 13
| 1
| 1
| 0
| 1
| Reserved
| -
| -
| -
|-
! 14
| 1
| 1
| 1
| 0
| Fast PWM
| ICR1
| BOTTOM
| TOP
|-
! 15
| 1
| 1
| 1
| 1
| Fast PWM
| OCR1A
| BOTTOM
| TOP
|}

Für Details der PWM-Möglichkeiten muss immer das jeweilge Datenblatt des Prozessors konsultiert werden, da sich die unterschiedlichen Prozessoren in ihren Möglichkeiten doch stark unterscheiden. Auch muss man aufpassen, welches zu setzende Bit in welchem Register ist. Auch hier kann es sein, dass gleichnamige Konfigurationsbits in unterschiedlichen Konfigurationsregistern (je nach konkretem Prozessortyp) sitzen.

= Warteschleifen (delay.h) =

Der Programmablauf kann verschiedene Arten von Wartefunktionen erfordern:

* Warten im Sinn von Zeitvertrödeln
* Warten auf einen bestimmten Zustand an den I/O-Pins
* Warten auf einen bestimmten Zeitpunkt (siehe Timer)
* Warten auf einen bestimmten Zählerstand (siehe Counter)

Der einfachste Fall, das Zeitvertrödeln, kann in vielen Fällen und mit großer Genauigkeit anhand der avr-libc Bibliotheksfunktionen _delay_ms() und _delay_us() erledigt werden. Die Bibliotheksfunktionen sind einfachen Zählschleifen (Warteschleifen) vorzuziehen, da leere Zählschleifen ohne besondere Vorkehrungen sonst bei eingeschalteter Optimierung vom avr-gcc-Compiler wegoptimiert werden. Weiterhin sind die Bibliotheksfunktionen bereits darauf vorbereitet, die in F_CPU definierte Taktfrequenz zu verwenden. Außerdem sind die Funktionen der Bibliothek wirklich getestet.

Einfach!? Schon, aber während gewartet wird, macht der µC nichts anderes mehr. Die Wartefunktion blockiert den Programmablauf. Möchte man einerseits warten, um z. B. eine LED blinken zu lassen und gleichzeitig andere Aktionen ausführen z. B. weitere LED bedienen, sollten die Timer/Counter des AVR verwendet werden.

Die Bibliotheksfunktionen funktionieren allerdings nur dann korrekt, wenn sie mit zur Übersetzungszeit (beim Compilieren) bekannten konstanten Werten aufgerufen werden. Der Quellcode muss mit eingeschalteter Optimierung übersetzt werden, sonst wird sehr viel Maschinencode erzeugt, und die Wartezeiten stimmen nicht mehr mit dem Parameter überein.

Abhängig von der Version der Bibliothek verhalten sich die Bibliotheksfunktionen etwas unterschiedlich.

== avr-libc Versionen kleiner 1.6 ==

Die Wartezeit der Funktion _delay_ms() ist auf 262,14ms/F_CPU (in MHz) begrenzt, d.h. bei 20 MHz kann man nur max. 13,1ms warten. Die Wartezeit der Funktion _delay_us() ist auf 768us/F_CPU (in MHz) begrenzt, d.h. bei 20 MHz kann man nur max. 38,4us warten. Längere Wartezeiten müssen dann über einen mehrfachen Aufruf in einer Schleife gelöst werden.

Beispiel: Blinken einer LED an PORTB Pin PB0 im ca. 1s Rhythmus
<c>
#include <avr/io.h>
#ifndef F_CPU
/* Definiere F_CPU, wenn F_CPU nicht bereits vorher definiert
(z. B. durch Übergabe als Parameter zum Compiler innerhalb
des Makefiles). Zusätzlich Ausgabe einer Warnung, die auf die
"nachträgliche" Definition hinweist */
#warning "F_CPU war noch nicht definiert, wird nun mit 3686400 definiert"
#define F_CPU 3686400UL /* Quarz mit 3.6864 Mhz */
#endif
#include <util/delay.h> /* in älteren avr-libc Versionen <avr/delay.h> */

/*
lange, variable Verzögerungszeit, Einheit in Millisekunden

Die maximale Zeit pro Funktionsaufruf ist begrenzt auf
262.14 ms / F_CPU in MHz (im Beispiel:
262.1 / 3.6864 = max. 71 ms)

Daher wird die kleine Warteschleife mehrfach aufgerufen,
um auf eine längere Wartezeit zu kommen. Die zusätzliche
Prüfung der Schleifenbedingung lässt die Wartezeit geringfügig
ungenau werden (macht hier vielleicht 2-3ms aus).
*/

void long_delay(uint16_t ms)
{
for(; ms>0; ms--) _delay_ms(1);
}

int main( void )
{
DDRB = ( 1 << PB0 ); // PB0 an PORTB als Ausgang setzen

while( 1 ) // Endlosschleife
{
PORTB ^= ( 1 << PB0 ); // Toggle PB0 z. B. angeschlossene LED
long_delay(1000); // Eine Sekunde warten...
}

return 0;
}
</c>

== avr-libc Versionen ab 1.6 ==

_delay_ms() kann mit einem Argument bis 6553,5 ms (= 6,5535 Sekunden) benutzt werden. Wird die früher gültige Grenze von 262,14 ms/F_CPU (in MHz) überschritten, so arbeitet _delay_ms() einfach etwas ungenauer und zählt nur noch mit einer Auflösung von 1/10 ms. Eine Verzögerung von 1000,10 ms ließe sich nicht mehr von einer von 1000,19 ms unterscheiden. Ein Verlust, der sich im Allgemeinen verschmerzen lässt. Dem Programmierer wird keine Rückmeldung gegeben, dass die Funktion ggf. gröber arbeitet, d.h. wenn es darauf ankommt, bitte den Parameter wie bisher geschickt wählen.

Die Funktion _delay_us() wurde ebenfalls erweitert. Wenn deren maximal als genau behandelbares Argument überschritten wird, benutzt diese intern _delay_ms(). Damit gelten in diesem Fall die _delay_ms() Einschränkungen.

Beispiel: Blinken einer LED an PORTB Pin PB0 im ca. 1s Rhythmus, avr-libc ab Version 1.6
<c>
#include <avr/io.h>
#ifndef F_CPU
/* Definiere F_CPU, wenn F_CPU nicht bereits vorher definiert
(z. B. durch Übergabe als Parameter zum Compiler innerhalb
des Makefiles). Zusätzlich Ausgabe einer Warnung, die auf die
"nachträgliche" Definition hinweist */
#warning "F_CPU war noch nicht definiert, wird nun mit 3686400 definiert"
#define F_CPU 3686400UL /* Quarz mit 3.6864 Mhz */
#endif
#include <util/delay.h>

int main( void )
{
DDRB = ( 1 << PB0 ); // PB0 an PORTB als Ausgang setzen

while( 1 ) { // Endlosschleife
PORTB ^= ( 1 << PB0 ); // Toggle PB0 z. B. angeschlossene LED
_delay_ms(1000); // Eine Sekunde +/-1/10000 Sekunde warten...
// funktioniert nicht mit Bibliotheken vor 1.6

}
return 0;
}
</c>

Die _delay_ms() und die _delay_us aus '''avr-libc 1.7.0''' sind fehlerhaft. _delay_ms () läuft 4x schneller als erwartet. Abhilfe ist eine korrigierte Includedatei: [http://www.mikrocontroller.net/topic/196738#1943039]

= Programmieren mit Interrupts =

<div style="float:right; margin:2em;">
[[Image:Interrupt Programme.gif]]
</div>
Nachdem wir nun alles Wissenswerte für die serielle Programmerstellung
gelernt haben nehmen wir jetzt ein völlig anderes Thema in Angriff, nämlich
die Programmierung unter Zuhilfenahme der Interrupts des AVR.

Als erstes wollen wir uns noch einmal den allgemeinen Programmablauf bei der
Interrupt-Programmierung zu Gemüte führen.

Man sieht, dass die Interruptroutine quasi parallel zum Hauptprogramm
abläuft. Da wir nur eine CPU haben ist es natürlich keine echte Parallelität,
sondern das Hauptprogramm wird beim Eintreffen eines Interrupts unterbrochen,
die Interruptroutine wird ausgeführt und danach erst wieder zum Hauptprogramm
zurückgekehrt.

Siehe auch

* [http://www.mikrocontroller.net/forum/read-1-235092.html#new Ausführlicher Thread im Forum]
* Artikel [[Interrupt]]
* Artikel [[Multitasking]]
{{Clear}}

== Anforderungen an Interrupt-Routinen ==

Um unliebsamen Überraschungen vorzubeugen, sollten einige Grundregeln bei der Implementierung der Interruptroutinen beachtet werden. Interruptroutinen sollten möglichst kurz und schnell abarbeitbar sein, daraus folgt:

* Keine umfangreichen Berechnungen innerhalb der Interruptroutine. (*)
* Keine langen Programmschleifen.
* Obwohl es möglich ist, während der Abarbeitung einer Interruptroutine andere oder sogar den gleichen Interrupt wieder zuzulassen, wird davon ohne genaue Kenntnis der internen Abläufe dringend abgeraten.

Interruptroutinen (ISRs) sollten also möglichst kurz sein und keine Schleifen mit vielen Durchläufen enthalten. Längere Operationen können meist in einen "Interrupt-Teil" in einer ISR und einen "Arbeitsteil" im Hauptprogramm aufgetrennt werden. Z.B. Speichern des Zustands aller Eingänge im EEPROM in bestimmten Zeitabständen: ISR-Teil: Zeitvergleich (Timer,RTC) mit Logzeit/-intervall. Bei Übereinstimmung ein globales Flag setzen (volatile bei Flag-Deklaration nicht vergessen, s.u.). Dann im Hauptprogramm prüfen, ob das Flag gesetzt ist. Wenn ja: die Daten im EEPROM ablegen und Flag löschen.

(*)
Hinweis:
Es gibt allerdings die seltene Situation, dass man gerade eingelesene
ADC-Werte sofort verarbeiten muss. Besonders dann, wenn man mehrere Werte sehr
schnell hintereinander bekommt. Dann bleibt einem nichts anderes übrig, als die
Werte noch in der ISR zu verarbeiten. Kommt aber sehr selten vor und sollte
durch geeignete Wahl des Systemtaktes bzw. Auswahl des Controllers vermieden werden!

== Interrupt-Quellen ==

Die folgenden Ereignisse können einen Interrupt auf einem AVR AT90S2313 auslösen, wobei die Reihenfolge der Auflistung auch die Priorität der Interrupts aufzeigt.

* Reset
* Externer Interrupt 0
* Externer Interrupt 1
* Timer/Counter 1 Capture Ereignis
* Timer/Counter 1 Compare Match
* Timer/Counter 1 Überlauf
* Timer/Counter 0 Überlauf
* UART Zeichen empfangen
* UART Datenregister leer
* UART Zeichen gesendet
* Analoger Komparator

Die Anzahl der möglichen Interruptquellen variiert zwischen den verschiedenen Microcontroller-Typen. Im Zweifel hilft ein Blick ins Datenblatt ("Interrupt Vectors").

== Register ==

Der AT90S2313 verfügt über 2 Register die mit den
Interrupts zusammen hängen.

{| class="wikitable"
|-
| '''GIMSK'''
| '''G'''eneral '''I'''nterrupt '''M'''ask '''R'''egister. 

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7 || 6|| 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| '''INT1''' || '''INT0''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-'''
|-
! R/W
| R/W || R/W || R || R || R || R || R || R
|-
! Initialwert
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0
|}

'''INT1''' (External '''Int'''errupt Request '''1''' Enable)
:Wenn dieses Bit gesetzt ist, wird ein Interrupt ausgelöst, wenn am '''INT1'''-Pin eine steigende oder fallende (je nach Konfiguration im '''MCUCR''') Flanke erkannt wird.
:Das Global Enable Interrupt Flag muss selbstverständlich auch gesetzt sein.
:Der Interrupt wird auch ausgelöst, wenn der Pin als Ausgang geschaltet ist. Auf diese Weise bietet sich die Möglichkeit, Software-Interrupts zu realisieren.

'''INT0''' (External '''Int'''errupt Request '''0''' Enable)
:Wenn dieses Bit gesetzt ist, wird ein Interrupt ausgelöst, wenn am '''INT0'''-Pin eine steigende oder fallende (je nach Konfiguration im '''MCUCR''') Flanke erkannt wird.
:Das Global Enable Interrupt Flag muss selbstverständlich auch gesetzt sein.
:Der Interrupt wird auch ausgelöst, wenn der Pin als Ausgang geschaltet ist. Auf diese Weise bietet sich die Möglichkeit, Software-Interrupts zu realisieren.

|-
| '''GIFR'''
| '''G'''eneral '''I'''nterrupt '''F'''lag '''R'''egister.

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7 || 6 || 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| '''INTF1''' || '''INTF0''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-'''
|-
! R/W
| R/W || R/W || R || R || R || R || R || R
|-
! Initialwert
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0
|}

'''INTF1''' (External '''Int'''errupt Flag '''1''')
:Dieses Bit wird gesetzt, wenn am '''INT1'''-Pin eine Interrupt-Kondition, entsprechend der Konfiguration, erkannt wird. Wenn das Global Enable Interrupt Flag gesetzt ist, wird die Interruptroutine angesprungen.
:Das Flag wird automatisch gelöscht, wenn die Interruptroutine beendet ist. Alternativ kann das Flag gelöscht werden, indem der Wert '''1(!)''' eingeschrieben wird.

'''INTF0''' (External '''Int'''errupt Flag '''0''')
:Dieses Bit wird gesetzt, wenn am '''INT0'''-Pin eine Interrupt-Kondition, entsprechend der Konfiguration, erkannt wird. Wenn das Global Enable Interrupt Flag gesetzt ist, wird die Interruptroutine angesprungen.
:Das Flag wird automatisch gelöscht, wenn die Interruptroutine beendet ist. Alternativ kann das Flag gelöscht werden, indem der Wert '''1(!)''' eingeschrieben wird.
|-
| '''MCUCR'''
| '''MCU''' '''C'''ontrol '''R'''egister.

Das MCU Control Register enthält Kontrollbits für allgemeine
MCU-Funktionen.

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7 || 6 || 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| '''-'''|| '''-'''|| '''SE'''|| '''SM'''|| '''ISC11'''|| '''ISC10'''|| '''ISC01'''|| '''ISC00'''
|-
! R/W
| R || R || R/W || R/W || R/W || R/W || R/W || R/W
|-
! Initialwert
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0

|}

'''SE''' ('''S'''leep '''E'''nable)
:Dieses Bit muss gesetzt sein, um den Controller mit dem '''SLEEP'''-Befehl in den Schlafzustand versetzen zu können.
:Um den Schlafmodus nicht irrtümlich einzuschalten, wird empfohlen, das Bit erst unmittelbar vor Ausführung des '''SLEEP'''-Befehls zu setzen.

'''SM''' ('''S'''leep '''M'''ode)
:Dieses Bit bestimmt der Schlafmodus.
:Ist das Bit gelöscht, so wird der '''Idle'''-Modus ausgeführt. Ist das Bit gesetzt, so wird der '''Power-Down'''-Modus ausgeführt. (für andere AVR Controller siehe Abschnitt "Sleep-Mode")

'''ISC11''', '''ISC10''' ('''I'''nterrupt '''S'''ense '''C'''ontrol '''1''' Bits)
:Diese beiden Bits bestimmen, ob die steigende oder die fallende Flanke für die Interrupterkennung am '''INT1'''-Pin ausgewertet wird.

:{| class="wikitable"
|-
! ISC11 || ISC10 || Bedeutung
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| Low Level an '''INT1''' erzeugt einen Interrupt.

Der Interrupt wird getriggert, solange der Pin auf 0 bleibt.
|-
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| align="center" | 1
| Reserviert
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| Die fallende Flanke an '''INT1''' erzeugt einen Interrupt.
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| Die steigende Flanke an '''INT1''' erzeugt einen Interrupt.
|}

'''ISC01''', '''ISC00''' ('''I'''nterrupt '''S'''ense '''C'''ontrol '''0''' Bits)
:Diese beiden Bits bestimmen, ob die steigende oder die fallende Flanke für die Interrupterkennung am '''INT0'''-Pin ausgewertet wird.

:{| class="wikitable"
|-
! ISC01 || ISC00 || Bedeutung
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| Low Level an '''INT0''' erzeugt einen Interrupt.

Der Interrupt wird getriggert, solange der Pin auf 0 bleibt.
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| Reserviert
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| Die fallende Flanke an '''INT0''' erzeugt einen Interrupt.
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| Die steigende Flanke an '''INT0''' erzeugt einen Interrupt.
|}

|}

== Allgemeines über die Interrupt-Abarbeitung ==

Wenn ein Interrupt eintrifft, wird automatisch das '''Global Interrupt Enable''' Bit im Status Register '''SREG''' gelöscht und alle weiteren Interrupts unterbunden. Obwohl es möglich ist, zu diesem Zeitpunkt bereits wieder das GIE-bit zu setzen, wird dringend davon abgeraten. Dieses wird nämlich automatisch gesetzt, wenn die Interruptroutine beendet wird. Wenn in der Zwischenzeit weitere Interrupts eintreffen, werden die zugehörigen Interrupt-Bits gesetzt und die Interrupts bei Beendigung der laufenden Interrupt-Routine in der Reihenfolge ihrer Priorität ausgeführt. Dies kann
eigentlich nur dann zu Problemen führen, wenn ein hoch priorisierter Interrupt ständig und in kurzer Folge auftritt. Dieser sperrt dann möglicherweise alle anderen Interrupts mit niedrigerer Priorität. Dies ist einer der Gründe, weshalb die Interrupt-Routinen sehr kurz gehalten werden sollen.



== Interrupts mit dem AVR GCC Compiler (WinAVR) ==


Funktionen zur Interrupt-Verarbeitung werden in den Includedateien ''interrupt.h'' der avr-libc zur Verfügung gestellt (bei älterem Quellcode zusätzlich ''signal.h'').

<c>
// fuer sei(), cli() und ISR():
#include <avr/interrupt.h>
</c>

Das Makro '''sei()''' schaltet die Interrupts ein. Eigentlich wird nichts anderes gemacht, als das '''Global Interrupt Enable''' Bit im Status Register gesetzt.

<c>
sei();
</c>

Das Makro '''cli()''' schaltet die Interrupts aus, oder anders gesagt, das '''Global Interrupt Enable''' Bit im Status Register wird gelöscht.

<c>
cli();
</c>

Oft steht man vor der Aufgabe, dass eine Codesequenz nicht unterbrochen werden darf. Es liegt dann nahe, zu Beginn dieser Sequenz ein cli() und am Ende ein sei() einzufügen. Dies ist jedoch ungünstig, wenn die Interrupts vor Aufruf der Sequenz deaktiviert waren und danach auch weiterhin deaktiviert bleiben sollen. Ein sei() würde ungeachtet des vorherigen Zustands die Interrupts aktivieren, was zu unerwünschten Seiteneffekten führen kann. Die aus dem folgenden Beispiel ersichtliche Vorgehensweise ist in solchen Fällen vorzuziehen:

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <inttypes.h>

//...

void NichtUnterbrechenBitte(void)
{
uint8_t tmp_sreg; // temporaerer Speicher fuer das Statusregister

tmp_sreg = SREG; // Statusregister (also auch das I-Flag darin) sichern
cli(); // Interrupts global deaktivieren

/* hier "unterbrechnungsfreier" Code */

/* Beispiel Anfang
JTAG-Interface eines ATmega16 per Software deaktivieren
und damit die JTAG-Pins an PORTC für "general I/O" nutzbar machen
ohne die JTAG-Fuse-Bit zu aendern. Dazu ist eine "timed sequence"
einzuhalten (vgl Datenblatt ATmega16, Stand 10/04, S. 229):
Das JTD-Bit muss zweimal innerhalb von 4 Taktzyklen geschrieben
werden. Ein Interrupt zwischen den beiden Schreibzugriffen wuerde
die erforderliche Sequenz "brechen", das JTAG-Interface bliebe
weiterhin aktiv und die IO-Pins weiterhin für JTAG reserviert. */

MCUCSR |= (1<<JTD);
MCUCSR |= (1<<JTD); // 2 mal in Folge ,vgl. Datenblatt fuer mehr Information

/* Beispiel Ende */

SREG = tmp_sreg; // Status-Register wieder herstellen
// somit auch das I-Flag auf gesicherten Zustand setzen
}

void NichtSoGut(void)
{
cli();

/* hier "unterbrechnungsfreier" Code */

sei();
}

int main(void)
{
//...

cli();
// Interrupts global deaktiviert

NichtUnterbrechenBitte();
// auch nach Aufruf der Funktion deaktiviert

sei();
// Interrupts global aktiviert

NichtUnterbrechenBitte();
// weiterhin aktiviert
//...

/* Verdeutlichung der unguenstigen Vorgehensweise mit cli/sei: */
cli();
// Interrupts jetzt global deaktiviert

NichtSoGut();
// nach Aufruf der Funktion sind Interrupts global aktiviert
// dies ist mglw. ungewollt!
//...

}
</c>


Zu den aktivierten Interrupts ist eine Funktion zu programmieren, deren Code aufgerufen wird, wenn der betreffende Interrupt auftritt (Interrupt-Handler, Interrupt-Service-Routine). Dazu existiert die Definition (ein Makro) '''ISR'''.

=== ISR ===

(''ISR()'' ersetzt bei neueren Versionen der avr-libc ''SIGNAL()''. SIGNAL sollte nicht mehr genutzt werden, zur Portierung von SIGNAL nach ISR siehe den [[AVR-GCC-Tutorial#Anhang|Anhang]].)

<c>
#include <avr/interrupt.h>
//...
ISR(Vectorname) /* vormals: SIGNAL(siglabel) dabei Vectorname != siglabel ! */
{
/* Interrupt Code */
}
</c>

Mit ''ISR'' wird eine Funktion für die Bearbeitung eines Interrupts eingeleitet. Als Argument muss dabei die Benennung des entsprechenden Interruptvektors angegeben werden. Diese sind in den jeweiligen Includedateien IOxxxx.h zu finden. Die Bezeichnung entspricht dem Namen aus dem Datenblatt, bei dem die Leerzeichen durch Unterstriche ersetzt sind und ein ''_vect'' angehängt ist.

Als Beispiel ein Ausschnitt aus der Datei für den ATmega8 (bei WinAVR Standardinstallation in C:\WinAVR\avr\include\avr\iom8.h) in der neben den aktuellen Namen für ''ISR'' (*_vect) noch die Bezeichnungen für das inzwischen nicht mehr aktuelle ''SIGNAL'' (SIG_*) enthalten sind.

<c>
//...
/* $Id: iom8.h,v 1.13 2005/10/30 22:11:23 joerg_wunsch Exp $ */

/* avr/iom8.h - definitions for ATmega8 */
//...

/* Interrupt vectors */

/* External Interrupt Request 0 */
#define INT0_vect _VECTOR(1)
#define SIG_INTERRUPT0 _VECTOR(1)

/* External Interrupt Request 1 */
#define INT1_vect _VECTOR(2)
#define SIG_INTERRUPT1 _VECTOR(2)

/* Timer/Counter2 Compare Match */
#define TIMER2_COMP_vect _VECTOR(3)
#define SIG_OUTPUT_COMPARE2 _VECTOR(3)

/* Timer/Counter2 Overflow */
#define TIMER2_OVF_vect _VECTOR(4)
#define SIG_OVERFLOW2 _VECTOR(4)

/* Timer/Counter1 Capture Event */
#define TIMER1_CAPT_vect _VECTOR(5)
#define SIG_INPUT_CAPTURE1 _VECTOR(5)

/* Timer/Counter1 Compare Match A */
#define TIMER1_COMPA_vect _VECTOR(6)
#define SIG_OUTPUT_COMPARE1A _VECTOR(6)

/* Timer/Counter1 Compare Match B */
#define TIMER1_COMPB_vect _VECTOR(7)
#define SIG_OUTPUT_COMPARE1B _VECTOR(7)

//...
</c>


Mögliche Funktionsrümpfe für Interruptfunktionen sind zum Beispiel:

<c>
#include <avr/interrupt.h>
/* veraltet: #include <avr/signal.h> */

ISR(INT0_vect) /* veraltet: SIGNAL(SIG_INTERRUPT0) */
{
/* Interrupt Code */
}

ISR(TIMER0_OVF_vect) /* veraltet: SIGNAL(SIG_OVERFLOW0) */
{
/* Interrupt Code */
}

ISR(USART_RXC_vect) /* veraltet: SIGNAL(SIG_UART_RECV) */
{
/* Interrupt Code */
}

// und so weiter und so fort...
</c>

Auf die korrekte Schreibweise der Vektorbezeichnung ist zu achten. Der gcc-Compiler prüft erst ab Version 4.x, ob ein Signal/Interrupt der angegebenen Bezeichnung tatsächlich in der Includedatei definiert ist und gibt andernfalls eine Warnung aus. Bei WinAVR (ab 2/2005) wurde die Überprüfung auch in den mitgelieferten Compiler der Version 3.x integriert. Aus dem gcc-Quellcode Version 3.x selbst erstellte Compiler enthalten die Prüfung nicht (vgl. [[AVR-GCC]]).

Während der Ausführung der Funktion sind alle weiteren Interrupts automatisch gesperrt. Beim Verlassen der Funktion werden die Interrupts wieder zugelassen.

Sollte während der Abarbeitung der Interruptroutine ein weiterer Interrupt (gleiche oder andere Interruptquelle) auftreten, so wird das entsprechende Bit im zugeordneten Interrupt Flag Register gesetzt und die entsprechende Interruptroutine automatisch nach dem Beenden der aktuellen Funktion aufgerufen.

Ein Problem ergibt sich eigentlich nur dann, wenn während der Abarbeitung der aktuellen Interruptroutine mehrere gleichartige Interrupts auftreten. Die entsprechende Interruptroutine wird im Nachhinein zwar aufgerufen jedoch wissen wir nicht, ob nun der entsprechende Interrupt einmal, zweimal oder gar noch öfter aufgetreten ist. Deshalb soll hier noch einmal betont werden, dass Interruptroutinen so schnell wie nur irgend möglich wieder verlassen werden sollten.

=== Unterbrechbare Interruptroutinen ===

"Faustregel": im Zweifel '''ISR'''. Die nachfolgend beschriebene Methode nur dann verwenden, wenn man sich über die unterschiedliche Funktionsweise im Klaren ist.

<c>
#include <avr/interrupt.h>

ISR(XXX,ISR_NOBLOCK) /* veraltet: INTERRUPT(SIG_OVERFLOW0) */
{
/* Interrupt-Code */
}
</c>

Hierbei steht XXX für den oben beschriebenen Namen des Vektors (also z. B. ''TIMER0_OVF_vect''). Der Unterschied im Vergleich zu einer herkömmlichen ISR ist, dass hier beim Aufrufen der Funktion das '''Global Enable Interrupt''' Bit durch Einfügen einer SEI-Anweisung direkt wieder gesetzt und somit alle Interrupts zugelassen werden – auch XXX-Interrupts.

Bei unsachgemässer Handhabung kann dies zu erheblichen Problemen wie einem Stack-Overflow oder anderen unerwarteten Effekten führen und sollte wirklich nur dann eingesetzt werden, wenn man sich sicher ist, das Ganze auch im Griff zu haben.

Insbesondere sollte möglichst am ISR-Anfang die auslösende IRQ-Quelle deaktiviert und erst am Ende der ISR wieder aktiviert werden. Robuster als die Verwendung einer NOBLOCK-ISR ist daher folgender ISR-Aufbau:

<c>
#include <avr/interrupt.h>

ISR (XXX)
{
// Implementiere die ISR ohne zunaechst weitere IRQs zuzulassen

<<Dektiviere die XXX-IRQ>>

// Erlaube alle Interrupts (ausser XXX)
sei();

//... Code ...

// IRQs global deaktivieren um die XXX-IRQ wieder gefahrlos
// aktivieren zu koennen
cli();

<<Aktiviere die XXX-IRQ>>
}
</c>
Auf diese Weise kann sich die XXX-IRQ nicht selbst unterbrechen, was zu einer Art Endlosschleife führen würde.

Siehe auch: Hinweise in [[AVR-GCC]]

siehe dazu: http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__avr__interrupts.html

== Datenaustausch mit Interrupt-Routinen ==

Variablen, die sowohl in Interrupt-Routinen (ISR = Interrupt Service Routine(s)) als auch vom übrigen Programmcode geschrieben oder gelesen werden, müssen mit einem '''volatile''' deklariert werden. Damit wird dem Compiler mitgeteilt, dass der Inhalt der Variablen vor jedem Lesezugriff aus dem Speicher gelesen und nach jedem Schreibzugriff in den Speicher geschrieben wird. Ansonsten könnte der Compiler den Code so optimieren, dass der Wert der Variablen nur in Prozessorregistern zwischengespeichert wird, die nichts von der Änderung woanders mitbekommen.

Zur Veranschaulichung ein Codefragment für eine Tastenentprellung mit Erkennung einer "lange gedrückten" Taste.

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <stdint.h>
//...

// Schwellwerte
// Entprellung:
#define CNTDEBOUNCE 10
// "lange gedrueckt:"
#define CNTREPEAT 200

// hier z. B. Taste an Pin2 PortA "active low" = 0 wenn gedrueckt
#define KEY_PIN PINA
#define KEY_PINNO PA2

// beachte: volatile!
volatile uint8_t gKeyCounter;

// Timer-Compare Interrupt ISR, wird z.B. alle 10ms ausgefuehrt
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
// hier wird gKeyCounter veraendert. Die übrigen
// Programmteile müssen diese Aenderung "sehen":
// volatile -> aktuellen Wert immer in den Speicher schreiben
if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
if (gKeyCounter < CNTREPEAT) gKeyCounter++;
}
else {
gKeyCounter = 0;
}
}

//...

int main(void)
{
//...
/* hier: Initialisierung der Ports und des Timer-Interrupts */
//...
// hier wird auf gKeyCounter zugegriffen. Dazu muss der in der
// ISR geschriebene Wert bekannt sein:
// volatile -> aktuellen Wert immer aus dem Speicher lesen
if ( gKeyCounter > CNTDEBOUNCE ) { // Taste mind. 10*10 ms "prellfrei"
if (gKeyCounter == CNTREPEAT) {
/* hier: Code fuer "Taste lange gedrueckt" */
}
else {
/* hier: Code fuer "Taste kurz gedrueckt" */
}
}
//...
}
</c>

Wird innerhalb einer ISR mehrfach auf eine mit volatile deklarierte Variable zugegriffen, wirkt sich dies ungünstig auf die Verarbeitungsgeschwindigkeit aus, da bei jedem Zugriff mit dem Speicherinhalt abgeglichen wird. Da bei AVR-Controllern ''innerhalb'' einer ISR keine Unterbrechungen zu erwarten sind, bietet es sich an, einen Zwischenspeicher in Form einer lokalen Variable zu verwenden, deren Inhalt zu Beginn und am Ende mit dem der volatile Variable synchronisiert wird. Lokale Variable werden bei eingeschalteter Optimierung mit hoher Wahrscheinlichkeit in Prozessorregistern verwaltet und der Zugriff darauf ist daher nur mit wenigen internen Operationen verbunden. Die ISR aus dem vorherigen Beispiel lässt sich so optimieren:

<c>
//...
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
uint8_t tmp_kc;

tmp_kc = gKeyCounter; // Uebernahme in lokale Arbeitsvariable

if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
if (tmp_kc < CNTREPEAT) {
tmp_kc++;
}
}
else {
tmp_kc = 0;
}

gKeyCounter = tmp_kc; // Zurueckschreiben
}
//...
</c>

Zum Vergleich die Disassemblies (Ausschnitte der "lss-Dateien", compiliert für ATmega162) im Anschluss. Man erkennt den viermaligen Zugriff auf die Speicheraddresse von ''gKeyCounter'' (hier 0x032A) in der ISR ohne "Cache"-Variable und den zweimaligen Zugriff in der Variante mit Zwischenspeicher. Im Beispiel ist der Vorteil gering, bei komplexeren Routinen kann die Zwischenspeicherung in lokalen Variablen jedoch zu deutlicheren Verbesserungen führen.

<pre>
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
86a: 1f 92 push r1
86c: 0f 92 push r0
86e: 0f b6 in r0, 0x3f ; 63
870: 0f 92 push r0
872: 11 24 eor r1, r1
874: 8f 93 push r24
if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
876: ca 99 sbic 0x19, 2 ; 25
878: 0a c0 rjmp .+20 ; 0x88e <__vector_13+0x24>
if (gKeyCounter < CNTREPEAT) gKeyCounter++;
87a: 80 91 2a 03 lds r24, 0x032A
87e: 88 3c cpi r24, 0xC8 ; 200
880: 40 f4 brcc .+16 ; 0x892 <__vector_13+0x28>
882: 80 91 2a 03 lds r24, 0x032A
886: 8f 5f subi r24, 0xFF ; 255
888: 80 93 2a 03 sts 0x032A, r24
88c: 02 c0 rjmp .+4 ; 0x892 <__vector_13+0x28>
}
else {
gKeyCounter = 0;
88e: 10 92 2a 03 sts 0x032A, r1
892: 8f 91 pop r24
894: 0f 90 pop r0
896: 0f be out 0x3f, r0 ; 63
898: 0f 90 pop r0
89a: 1f 90 pop r1
89c: 18 95 reti
</pre>

<pre>
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
86a: 1f 92 push r1
86c: 0f 92 push r0
86e: 0f b6 in r0, 0x3f ; 63
870: 0f 92 push r0
872: 11 24 eor r1, r1
874: 8f 93 push r24
uint8_t tmp_kc;

tmp_kc = gKeyCounter;
876: 80 91 2a 03 lds r24, 0x032A

if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
87a: ca 9b sbis 0x19, 2 ; 25
87c: 02 c0 rjmp .+4 ; 0x882 <__vector_13+0x18>
87e: 80 e0 ldi r24, 0x00 ; 0
880: 03 c0 rjmp .+6 ; 0x888 <__vector_13+0x1e>
if (tmp_kc < CNTREPEAT) {
882: 88 3c cpi r24, 0xC8 ; 200
884: 08 f4 brcc .+2 ; 0x888 <__vector_13+0x1e>
tmp_kc++;
886: 8f 5f subi r24, 0xFF ; 255
}
}
else {
tmp_kc = 0;
}

gKeyCounter = tmp_kc;
888: 80 93 2a 03 sts 0x032A, r24
88c: 8f 91 pop r24
88e: 0f 90 pop r0
890: 0f be out 0x3f, r0 ; 63
892: 0f 90 pop r0
894: 1f 90 pop r1
896: 18 95 reti
</pre>

=== volatile und Pointer ===

Bei '''volatile''' in Verbindung mit Pointern ist zu beachten, ob der Pointer selbst oder die Variable, auf die der Pointer zeigt, '''volatile''' ist.

<c>
volatile uint8_t *a; // das Ziel von a ist volatile

uint8_t *volatile a; // a selbst ist volatile
</c>

Falls der Pointer volatile ist (zweiter Fall im Beispiel), ist zu beachten, dass der Wert des Pointers, also eine Speicheradresse, intern in mehr als einem Byte verwaltet wird. Lese- und Schreibzugriffe im Hauptprogramm (außerhalb von Interrupt-Routinen) sind daher so zu implementieren, dass alle Teilbytes der Adresse konsistent bleiben, vgl. dazu den folgenden Abschnitt.

=== Variablen größer 1 Byte ===

Bei Variablen größer ein Byte, auf die in Interrupt-Routinen und im Hauptprogramm zugegriffen wird, muss darauf geachtet werden, dass die Zugriffe auf die einzelnen Bytes außerhalb der ISR nicht durch einen Interrupt unterbrochen werden. (Allgemeinplatz: AVRs sind 8-bit Controller). Zur Veranschaulichung ein Codefragment:

<c>
//...
volatile uint16_t gMyCounter16bit;
//...
ISR(...)
{
//...
gMyCounter16Bit++;
//...
}

int main(void)
{
uint16_t tmpCnt;
//...
// nicht gut: Mglw. hier ein Fehler, wenn ein Byte von MyCounter
// schon in tmpCnt kopiert ist aber vor dem Kopieren des zweiten Bytes
// ein Interrupt auftritt, der den Inhalt von MyCounter verändert.
tmpCnt = gMyCounter16bit;

// besser: Änderungen "außerhalb" verhindern -> alle "Teilbytes"
// bleiben konsistent
cli(); // Interrupts deaktivieren
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
sei(); // wieder aktivieren

// oder: vorheriger Status des globalen Interrupt-Flags bleibt erhalten
uint8_t sreg_tmp;
sreg_tmp = SREG; /* Sichern */
cli()
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
SREG = sreg_tmp; /* Wiederherstellen */

// oder: mehrfach lesen, bis man konsistente Daten hat
uint16_t count1 = gMyCounter16Bit;
uint16_t count2 = gMyCounter16Bit;
while (count1 != count2) {
count1 = count2;
count2 = gMyCounter16Bit;
}
tmpCnt = count1;
//...
}
</c>

Die avr-libc bietet ab Version 1.6.0(?) einige Hilfsfunktionen/Makros, mit der im Beispiel oben gezeigten Funktionalität, die zusätzlich auch sogenannte [http://en.wikipedia.org/wiki/Memory_barrier memory barriers] beinhalten. Diese stehen nach #include <util/atomic.h> zur Verfügung.
<c>
//...
#include <util/atomic.h>
//...

// analog zu cli, Zugriff, sei:
ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_FORCEON) {
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
}

// oder:

// analog zu Sicherung des SREG, cli, Zugriff und Zurückschreiben des SREG:
ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_RESTORESTATE) {
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
}

//...
</c>

* siehe auch [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__util__atomic.html Dokumentation der avr-libc zu atomic.h]

== Interrupt-Routinen und Registerzugriffe ==

Falls Register sowohl im Hauptprogramm als auch in Interrupt-Routinen verändert werden, ist darauf zu achten, dass diese Zugriffe sich nicht überlappen. Nur wenige Anweisungen lassen sich in sogenannte "atomare" Zugriffe übersetzen, die nicht von Interrupt-Routinen unterbrochen werden können.

Zur Veranschaulichung eine Anweisung, bei der ein Bit und im Anschluss drei Bits in einem Register gesetzt werden:

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

int main(void)
{
//...
PORTA |= (1<<PA0);

PORTA |= (1<<PA2)|(1<<PA3)|(1<<PA4);
//...
}
</c>

Der Compiler übersetzt diese Anweisungen für einen ATmega128 bei Optimierungsstufe "S" nach:

<div class="code"><pre>
...
PORTA |= (1<<PA0);
d2: d8 9a sbi 0x1b, 0 ; 27 (a)

PORTA |= (1<<PA2)|(1<<PA3)|(1<<PA4);
d4: 8b b3 in r24, 0x1b ; 27 (b)
d6: 8c 61 ori r24, 0x1C ; 28 (c)
d8: 8b bb out 0x1b, r24 ; 27 (d)
...
</pre></div>

Das Setzen des einzelnen Bits wird bei eingeschalteter Optimierung für Register im unteren Speicherbereich in eine einzige Assembler-Anweisung (sbi) übersetzt und ist nicht anfällig für Unterbrechungen durch Interrupts. Die Anweisung zum Setzen von drei Bits wird jedoch in drei abhängige Assembler-Anweisungen übersetzt und bietet damit zwei "Angriffspunkte" für Unterbrechungen. Eine Interrupt-Routine könnte nach dem Laden des Ausgangszustands in den Zwischenspeicher (hier Register 24) den Wert des Registers ändern, z. B. ein Bit löschen. Damit würde der Zwischenspeicher nicht mehr mit dem tatsächlichen Zustand übereinstimmen aber dennoch nach der Bitoperation (hier ori) in das Register zurückgeschrieben.

Beispiel: PORTA sei anfangs 0b00000000. Die erste Anweisung (a) setzt Bit 0, PORTA ist danach 0b00000001. Nun wird im ersten Teil der zweiten Anweisung der Portzustand in ein Register eingelesen (b). Unmittelbar darauf (vor (c)) "feuert" ein Interrupt, in dessen Interrupt-Routine Bit 0 von PORTA gelöscht wird. Nach Verlassen der Interrupt-Routine hat PORTA den Wert 0b00000000. In den beiden noch folgenden Anweisungen des Hauptprogramms wird nun der zwischengespeicherte "alte" Zustand 0b00000001 mit 0b00011100 logisch-oder-verknüft (c) und das Ergebnis 0b00011101 in PortA geschrieben (d). Obwohl zwischenzeitlich Bit 0 gelöscht wurde, ist es nach (d) wieder gesetzt.

Lösungsmöglichkeiten:
* Register ohne besondere Vorkehrungen nicht in Interruptroutinen ''und'' im Hauptprogramm verändern.
* Interrupts vor Veränderungen in Registern, die auch in ISRs verändert werden, deaktivieren ("cli").
* Bits einzeln löschen oder setzen. sbi und cbi können nicht unterbrochen werden. Vorsicht: nur Register im unteren Speicherbereich sind mittels sbi/cbi ansprechbar. Der Compiler kann nur für diese sbi/cbi-Anweisungen generieren. Für Register außerhalb dieses Adressbereichs ("Memory-Mapped"-Register) werden auch zur Manipulation einzelner Bits abhängige Anweisungen erzeugt (lds,...,sts).

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Frequently asked Questions/Fragen Nr. 1 und 8. (Stand: avr-libc Vers. 1.0.4)

== Interruptflags löschen ==

Beim Löschen von Interruptflags haben AVRs eine Besonderheit, die auch im Datenblatt beschrieben ist: Es wird zum Löschen eine 1 in das betreffende Bit geschrieben.

Hinweis: Dazu '''nicht''' übliche bitweise VerODERung nehmen, sondern eine direkte Zuweisung machen ([http://www.mikrocontroller.net/topic/171148#1640133 Erklärung]).

== Was macht das Hauptprogramm? ==

Im einfachsten (Ausnahme-)Fall gar nichts mehr. Es ist also durchaus denkbar, ein Programm zu schreiben, welches in der main-Funktion lediglich noch die Interrupts aktiviert und dann in einer Endlosschleife verharrt. Sämtliche Funktionen werden dann in den ISRs abgearbeitet. Diese Vorgehensweise ist jedoch bei den meisten Anwendungen schlecht: man verschenkt eine Verarbeitungsebene und hat außerdem möglicherweise Probleme durch Interruptroutinen, die zu viel Verarbeitungszeit benötigen.

Normalerweise wird man in den Interruptroutinen nur die bei Auftreten des jeweiligen Interruptereignisses unbedingt notwendigen Operationen ausführen lassen. Alle weniger kritischen Aufgaben werden dann im Hauptprogramm abgearbeitet.

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Interrupts and Signals

= Sleep-Modes =

AVR Controller verfügen über eine Reihe von sogenannten [[Sleep Mode |''Sleep-Modes'']] ("Schlaf-Modi"). Diese ermöglichen es, Teile des Controllers abzuschalten. Zum Einen kann damit besonders bei Batteriebetrieb Strom gespart werden, zum Anderen können Komponenten des Controllers deaktiviert werden, die die Genauigkeit des Analog-Digital-Wandlers bzw. des Analog-Comparators negativ beeinflussen. Der Controller wird durch Interrupts aus dem Schlaf geweckt. Welche Interrupts den jeweiligen Schlafmodus beenden, ist einer Tabelle im Datenblatt des jeweiligen Controllers zu entnehmen.
Die Funktionen (eigentlich Makros) der avr-libc stehen nach Einbinden der header-Datei ''sleep.h'' zur Verfügung.

;set_sleep_mode (uint8_t mode): Setzt den Schlafmodus, der bei Aufruf von sleep() aktiviert wird. In sleep.h sind einige Konstanten definiert (z. B. SLEEP_MODE_PWR_DOWN). Die definierten Modi werden jedoch nicht alle von sämtlichten AVR-Controllern unterstützt.
;sleep_enable(): Aktiviert den gesetzten Schlafmodus, versetzt den Controller aber noch nicht in den Schlafmodus
;sleep_cpu(): Versetzt den Controller in den Schlafmodus .sleep_cpu wird im Prinzip durch die Assembler-Anweisung ''sleep'' ersetzt.
;sleep_disable(): Deaktiviert den gesetzten Schlafmodus
;sleep_mode(): Versetzt den Controller in den mit set_sleep_mode gewählten Schlafmodus. Das Makro entspricht sleep_enable()+sleep_cpu()+sleep_disable(), beinhaltet also nicht die Aktivierung von Interrupts (besser nicht benutzen).

Bei Anwendung von sleep_cpu() müssen Interrupts also bereits freigeben sein (sei()), da der Controller sonst nicht mehr "aufwachen" kann. sleep_mode() ist nicht geeignet für die Verwendung in ISR Interrupt-Service-Routinen, da bei deren Abarbeitung Interrupts global deaktiviert sind und somit auch die möglichen "Aufwachinterrupts". Abhilfe: stattdessen sleep_enable(), sei(), sleep_cpu(), sleep_disable() und evtl. cli() verwenden (vgl. Dokumentation der avr-libc).

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/sleep.h>

int main(void)
{
...

while (1) {
...
set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);
sleep_mode();

// Code hier wird erst nach Auftreten eines entsprechenden
// "Aufwach-Interrupts" verarbeitet
...
}
}
</c>

In älteren Versionenen der avr-libc wurden nicht alle AVR-Controller durch die sleep-Funktionen richtig angesteuert. Mit avr-libc 1.2.0 wurde die Anzahl der unterstützten Typen jedoch deutlich erweitert. Bei nicht-unterstützten Typen erreicht man die gewünschte Funktionalität durch direkte "[[Bitmanipulation]]" der entsprechenden Register (vgl. Datenblatt) und Aufruf des Sleep-Befehls via Inline-Assembler oder sleep_cpu():

<c>
#include <avr/io.h>
...
// Sleep-Mode "Power-Save" beim ATmega169 "manuell" aktivieren
SMCR = (3<<SM0) | (1<<SE);
asm volatile ("sleep"::); // alternativ sleep_cpu() aus sleep.h
...
</c>

== Sleep Modi ==
Zu beachten ist, dass unterschiedliche Prozessoren aus der AVR Familie unterschiedliche Sleep-Modi unterstützen oder nicht unterstützen. Auskunft über die tatsächlichen Gegebenheiten gibt, wie immer, das zum Prozessor gehörende Datenblatt. Die unterschiedlichen Modi unterscheiden sich dadurch, welche Bereiche des Prozessors abgeschaltet werden. Damit korrespondiert unmittelbar welche Möglichkeiten es gibt, den Prozessor aus den jeweiligen Sleep Modus wieder aufzuwecken.

;Idle Mode (SLEEP_MODE_IDLE): Die CPU kann durch SPI, USART, Analog Comperator, ADC, TWI, Timer, Watchdog und irgendeinen anderen Interrupt wieder aufgeweckt werden.

;ADC Noise Reduction Mode (SLEEP_MODE_ADC): In diesem Modus liegt das Hauptaugenmerk darauf, die CPU soweit stillzulegen, dass der ADC möglichst keine Störungen aus dem inneren der CPU auffangen kann. Aufwachen aus diesem Modus kann ausgelöst werden durch den ADC, externe Interrupts, TWI, Timer und Watchdog.

;Power-Down Mode (SLEEP_MODE_PWR_DOWN): In diesem Modus wird ein externer Oszillator (Quarz, Quarzoszillator) gestoppt. Geweckt werden kann die CPU durch einen externen Level Interrupt, TWI, Watchdog, Brown-Out-Reset

;Power-Save-Mode (SLEEP_MODE_PWR_SAVE): Power-Save ist identisch zu Power-Down mit einer Ausnahme: Ist der Timer 2 auf die Verwendung eines externen Taktes konfiguriert, so läuft dieser Timer auch im Power-Save weiter und kann die CPU mit einem Interrupt aufwecken.

;Standby-Mode (SLEEP_MODE_STANDBY, SLEEP_MODE_EXT_STANDBY): Voraussetzung für den Standby-Modus ist die Verwendung eines Quarzes oder eines Quarzoszillators (also einer externen Taktquelle). Ansonsten ist dieser Modus identisch zum Power-Down Modus. Vorteil dieses Modus ist eine kürzere Aufwachzeit.

Siehe auch:
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Power Management and Sleep-Modes
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/96369#832712 Forenbeitrag] zur "Nichtverwendung" von sleep_mode in ISRs.

= Zeiger =
Zeiger (engl. /pointer/), d.h. Variablen, die die Adresse von Daten oder Funktionen enthalten, belegen 16 bits. Das hängt mit dem addressierbaren Speicherbereich zusammen, und gcc reserviert dann den entsprechenden Platz.
Ggf. ist es also günstiger, Indizes auf Arrays (Listen) zu verwenden, so dass der GCC für die Zeigerarithmetik den erforderlichen RAM nur temporär benötigt.

Siehe auch: [[Zeiger]]

= Speicherzugriffe =

Atmel AVR-Controller verfügen typisch über drei Speicher:

* [[RAM]]: Im RAM (genauer statisches RAM/SRAM) wird vom gcc-Compiler Platz für Variablen reserviert. Auch der Stack befindet sich im RAM. Dieser Speicher ist "flüchtig", d.h. der Inhalt der Variablen geht beim Ausschalten oder einem Zusammenbruch der Spannungsversorgung verloren.

* Programmspeicher: Ausgeführt als FLASH-Speicher, seitenweise wiederbeschreibbar. Darin ist das Anwendungsprogramm abgelegt.

* [[EEPROM]]: Nichtflüchtiger Speicher, d.h. der einmal geschriebene Inhalt bleibt auch ohne Stromversorgung erhalten. Byte-weise schreib/lesbar. Im EEPROM werden typischerweise gerätespezifische Werte wie z. B. Kalibrierungswerte von Sensoren abgelegt.

Einige AVRs besitzen keinen RAM-Speicher, lediglich die Register können als "Arbeitsvariablen"
genutzt werden. Da die Anwendung des avr-gcc auf solch "kleinen" Controllern ohnehin selten sinnvoll ist und auch nur bei einigen RAM-losen Typen nach [http://lightner.net/avr/ATtinyAvrGcc.html "Bastelarbeiten"] möglich ist, werden diese Controller hier nicht weiter berücksichtigt. Auch EEPROM-Speicher ist nicht auf allen Typen verfügbar. Generell sollten die nachfolgenden Erläuterungen auf alle ATmega-Controller und die größeren AT90-Typen übertragbar sein. Für die Typen ATtiny2313, ATtiny26 und viele weitere der "ATtiny-Reihe" gelten die Ausführungen ebenfalls.

Siehe auch:
* [[Binäre Daten zum Programm hinzufügen]]
== RAM ==

Die Verwaltung des RAM-Speichers erfolgt durch den Compiler, im Regelfall ist beim Zugriff auf Variablen im RAM nichts Besonderes zu beachten. Die Erläuterungen in jedem brauchbaren C-Buch gelten auch für den vom avr-gcc-Compiler erzeugten Code.

Um Speicher dynamisch (während der Laufzeit) zu reservieren, kann '''malloc()''' verwendet werden. malloc(size) "alloziert" (~reserviert) einen gewissen Speicherblock mit '''size''' Bytes. Ist kein Platz für den neuen Block, wird NULL (0) zurückgegeben.

Wird der angelegte Block zu klein (groß), kann die Größe mit realloc() verändert werden. Den allozierten Speicherbereich kann man mit free() wieder freigeben. Wenn das Freigeben eines Blocks vergessen wird spricht man von einem "Speicherleck" (memory leak).

malloc() legt Speicherblöcke im '''Heap''' an, belegt man zuviel Platz, dann wächst der Heap zu weit nach oben und überschreibt den Stack, und der Controller kommt in Teufels Küche. Das kann leider nicht nur passieren wenn man insgesamt zu viel Speicher anfordert, sondern auch wenn man Blöcke unterschiedlicher Größe in ungünstiger Reihenfolge alloziert/freigibt (siehe Artikel [[Heap-Fragmentierung]]). Aus diesem Grund sollte man malloc() auf Mikrocontrollern sehr sparsam (am besten gar nicht) verwenden.

Beispiel zur Verwendung von malloc():
<c>
#include <stdlib.h>

void foo(void) {
// neuen speicherbereich anlegen,
// platz für 10 uint16
uint16_t* pBuffer = malloc(10 * sizeof(uint16_t));

// darauf zugreifen, als wärs ein gewohnter Buffer
pBuffer[2] = 5;

// Speicher (unbedingt!) wieder freigeben
free(pBuffer);
}
</c>

Wenn (wie in obigem Beispiel) dynamischer Speicher nur für die Dauer einer Funktion benötigt und am Ende wieder freigegeben wird, bietet es sich an, statt malloc() '''alloca()''' zu verwenden. Der Unterschied zu malloc() ist, dass der Speicher auf dem Stack reserviert wird, und beim Verlassen der Funktion automatisch wieder freigegeben wird. Es kann somit kein Speicherleck und keine Fragmentierung entstehen.

siehe auch:
* http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/malloc.html

== Programmspeicher (Flash) ==

Ein Zugriff auf Konstanten im Programmspeicher ist mittels avr-gcc nicht "transparent" möglich. D.h. es sind besondere Zugriffsfunktionen erforderlich, um Daten aus diesem Speicher zu lesen. Grundsätzlich basieren alle Zugriffsfunktionen auf der Assembler-Anweisung lpm (load program memory, bei AVR Controllern mit mehr als 64kB Flash auch elpm). Die Standard-Laufzeitbibliothek des avr-gcc (die avr-libc) stellt diese Funktionen nach Einbinden der Header-Datei pgmspace.h zur Verfügung. Mit diesen Funktionen können einzelne Bytes, Datenworte (16bit) und Datenblöcke gelesen werden.

Deklarationen von Variablen im Flash-Speicher werden durch das "Attribut" PROGMEM ergänzt. Lokale Variablen (eigentlich Konstanten) innerhalb von Funktionen können ebenfalls im Programmspeicher abgelegt werden. Dazu ist bei der Definition jedoch ein ''static'' voranzustellen, da solche "Variablen" nicht auf dem Stack bzw. (bei Optimierung) in Registern verwaltet werden können. Der Compiler "wirft" eine Warnung falls static fehlt.

<c>
#include <stdint.h>
#include <avr/pgmspace.h>

/* Byte */
const uint8_t pgmFooByte PROGMEM = 123;

/* Wort */
const uint16_t pgmFooWort PROGMEM = 12345;

/* Byte-Array */
const uint8_t pgmFooByteArray1[] PROGMEM = { 18, 3 ,70 };
const uint8_t pgmFooByteArray2[] PROGMEM = { 30, 7 ,79 };

/* Zeiger */
const uint8_t * const pgmPointerToArray1 PROGMEM = pgmFooByteArray1;
const uint8_t * const pgmPointerArray[] PROGMEM = { pgmFooByteArray1, pgmFooByteArray2 };

void foo(void)
{
static const uint8_t pgmTestByteLocal PROGMEM = 0x55;
static const char pgmTestStringLocal[] PROGMEM = "im Flash";
// so nicht (static fehlt)
// char pgmTestStringLocalFalsch [] PROGMEM = "so nicht";
}
</c>

=== Byte lesen ===

Mit der Funktion pgm_read_byte aus pgmspace.h erfolgt der Zugriff auf die Daten. Parameter der Funktion ist die Adresse des Bytes im Flash-Speicher.

<c>
#include <avr/pgmspace.h>

const uint8_t pgmFooByte PROGMEM = 123;
const uint8_t pgmFooByteArray1[] PROGMEM = { 18, 3, 70 };

void foo (coid)
// Wert der Ram-Variablen myByte auf den Wert von pgmFooByte setzen:
uint8_t myByte;

myByte = pgm_read_byte (&pgmFooByte);
// myByte hat nun den Wert 123

// Schleife ueber ein Array aus Byte-Werten im Flash
uint8_t i;

for (i = 0; i < 3; i++)
{
myByte = pgm_read_byte (&pgmFooByteArray1[i]);
// mach was mit myByte
}
</c>

=== Wort lesen ===

Für "einfache" 16-Bit breite Variablen erfolgt der Zugriff analog zum Byte-Beispiel, jedoch mit der Funktion <code>pgm_read_word</code>:

<c>
const uint16_t pgmFooWort PROGMEM = 12345;

uint16_t myWord = pgm_read_word (&pgmFooWort);
</c>

Zeiger auf Werte im Flash sind ebenfalls 16 Bits "groß".
Damit ist der mögliche Speicherbereich für "Flash-Konstanten" auf 64kB begrenzt.<ref>Einige avr-libc/pgmspace-Funktionen ermöglichen den Lesezugriff auf den gesamten Flash-Speicher, intern via Assembler Anweisung ELPM. Die Initialisierungswerte des Speicherinhalts jenseits der 64kB-Marke müssen dann jedoch auf anderem Weg angelegt werden, d.h. nicht per PROGMEM; evtl. eigene Section und Linker-Optionen. Alt und nicht ganz korrekt: Die avr-libc pgmspace-Funktionen unterstützen nur die unteren 64kB Flash bei Controllern mit mehr als 64kB.</ref>

<c>
const uint8_t *ptrToArray;

ptrToArray = (const uint8_t*) pgm_read_word (&pgmPointerToArray1);
// ptrToArray enthält nun die Startadresse des Byte-Arrays pgmFooByteArray1
// Allerdings würde ein direkter Zugriff mit diesem Pointer (z. B. temp=*ptrToArray)
// nicht den Inhalt von pgmFooByteArray1[0] liefern, sondern von einer Speicherstelle
// im RAM, die die gleiche Adresse hat wie pgmFooByteArray1[0]
// Daher muss nun die Funktion pgm_read_byte() benutzt werden, die die in ptrToArray
// enthaltene Adresse benutzt und auf das Flash zugreift.

for (i = 0; i < 3; i++)
{
myByte = pgm_read_byte (ptrToArray+i);
// mach was mit myByte... (18, 3, 70)
}

ptrToArray = (const uint8_t*) pgm_read_word (&pgmPointerArray[1]);

// ptrToArray enthält nun die Adresse des ersten Elements des Byte-Arrays pgmFooByteArray2
// da im zweiten Element des Pointer-Arrays pgmPointerArray die Adresse
// von pgmFooByteArray2 abgelegt ist

for (i = 0; i < 3; i++)
{
myByte = pgm_read_byte (ptrToArray+i);
// mach was mit myByte... (30, 7, 79)
}
</c>

=== Block lesen ===
In den Standard-Flash Funktionen ist keine der pgm_read_xxxx Nomenklatur folgenden Funktion enthalten, die einen kompletten Block ausliest. Die enstprechende Funktion ist eine Variante von memcpy und heißt memcpy_P().

Was diese Funktion im Prinzip macht, ist einfach in einer Schleife pgm_read_byte zu benutzen, um einen Speicherblock von der Quelladresse im Flash an eine Zieladresse im SRAM zu kopieren.

<c>
void pgm_read_block( uint8_t* pTarget, const uint8_t* pSource, size_t len )
{
size_t i;

for( i = 0; i < len; ++i )
*pTarget++ = pgm_read_byte( pSource++ );
}
</c>

Damit ist es dann natürlich kein Problem mehr ganze Arrays oder Strukturen aus dem Flash in das SRAM zu übertragen.

=== Strings lesen ===
Strings sind in C nichts anderes als eine Abfolge von Zeichen. Der prinzipielle Weg ist daher identisch zu "Bytes lesen", wobei allerdings auf die [http://www.mikrocontroller.net/articles/FAQ#Wie_funktioniert_String-Verarbeitung_in_C.3F Besonderheiten von Strings] wie 0-Terminierung geachtet werden muss, bzw. diese zur Steuerung einer Schleife über die Zeichen im String ausgenutzt werden kann

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/pgmspace.h>

const char pgmString[] PROGMEM = "Hello world";

int main()
{
char c;
const char* addr;

addr = pgmString;
while (c = pgm_read_byte (addr++), c != '\0')
{
// mach was mit c
}
}
</c>

Zur Unterstützung des Programmierers steht das Repertoir der str-Funktionen auch in jeweils eine Variante zur Verfügung, die mit dem Flash-Speicher arbeiten kann. Die Funktionsnamen tragen den Suffix <tt>_P</tt>.

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/pgmspace.h>

const char pgmString[] PROGMEM = "Hallo world";

void foo (void)
{
char string[40];

strcpy_P (string, pgmString);
}
</c>

=== Float lesen ===

Auch um floats zu lesen gibt es ein Makros:

<c>
float pgmFloatArray[3] PROGMEM = {1.1, 2.2, 3.3};

void read_float (void)
{
int i;
float f;

for (i=0; i<3; i++)
{
// entspricht f = pgmFloatArray[i];
f = pgm_read_float (&pgmFloatArray[i]);
// mach was mit f
}
}
</c>

TODO: Beispiele für structs und pointer aus Flash auf struct im Flash (menues, state-machines etc.). Eine kleine Einleitung insbesondere auch in Bezug auf die auftretenden Schwierigkeiten liefert [http://www.mail-archive.com/avr-gcc-list@nongnu.org/msg05652.html].

=== Array aus Strings im Flash-Speicher ===

Arrays aus Strings im Flash-Speicher werden in zwei Schritten angelegt: Zuerst die einzelnen Elemente des Arrays und im Anschluss ein Array, in dem die Startaddressen der Strings abgelegt werden. Zum Auslesen wird zuerst die Adresse des i-ten Elements aus dem Array im Flash-Speicher gelesen, die im Anschluss dazu genutzt wird, auf das Element (den String) selbst zuzugreifen.

<c>
#include <stdint.h>
#include <avr/pgmspace.h>

const char str1[] PROGMEM = "first_A";
const char str2[] PROGMEM = "second_A";
const char str3[] PROGMEM = "third_A";

const char * const strarray1[] PROGMEM =
{
str1,
str2,
str3
};

static char work[20];

void read_strings (void)
{
size_t i;

for (i = 0; i < sizeof (strarray1) / sizeof (strarray1[0]); i++)
{
size_t j, len;

// setze Pointer auf die Addresse des i-ten Elements des
// Flash-Arrays (str1, str2, ...)
const char *pstrflash = (const char*) pgm_read_word (&strarray1[i]);

// kopiere den Inhalt der Zeichenkette von der
// in pstrflash abgelegten Adresse in das work-Array
// analog zu strcpy( work, strarray1[i]) wenn alles im RAM
strcpy_P (work, pstrflash);

// Gleichbedeutend damit:
strcpy_P (work, (const char*) pgm_read_word (&strarray1[i]));

// Zeichen-fuer-Zeichen
len = strlen_P (&strarray1[i]);

// <= da auch das Stringende-Zeichen kopiert werden soll
for (j = 0; j <= len; j++)
{
// analog zu work[j] = strarray[i][j] wenn alles im RAM
work[i] = (char) pgm_read_byte (pstrflash++);
}
}
}
</c>

Siehe dazu auch die avr-libc FAQ: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/FAQ.html#faq_rom_array How do I put an array of strings completely in ROM?]

=== Vereinfachung für Zeichenketten (Strings) im Flash ===

Zeichenketten können innerhalb des Quellcodes als "Flash-Konstanten" ausgewiesen werden. Dazu dient das Makro PSTR aus pgmspace.h. Dies erspart die getrennte Deklaration mit PROGMEM-Attribut.

<c>
#include <string.h>
#include <avr/pgmspace.h>

#define MAXLEN 30

char StringImFlash[] PROGMEM = "Erwin Lindemann";
char StringImRam[MAXLEN];

void read_string (void)
{
strcpy (StringImRam, "Mueller-Luedenscheidt");

if (!strncmp_P (StringImRam, StringImFlash, 5))
{
// mach was, wenn die ersten 5 Zeichen identisch - hier nicht
}
else
{
// der Code hier wuerde ausgefuehrt
}

if (!strncmp_P (StringImRam, PSTR("Mueller-Schmitt"), 5))
{
// der Code hier wird ausgefuehrt, wenn die ersten
// 5 Zeichen uebereinstimmen
}
else
{
// wird bei Nicht-Uebereinstimmung ausgefuehrt
}
}
</c>

Aber Vorsicht: Ersetzt man zum Beispiel
<c>
// Daten im "Flash"
const char flashText[] PROGMEM = "mit[]";
</c>
durch
<c>
// Hier wird "mit*" im RAM angelegt und flashPointer
// enthaelt die Adresse
const char* const flashPointer PROGMEM = "mit*";
</c>
dann kann es zu Problemen kommen.

Übergibt man Zeichenketten, die im Flash abglegt sind an eine Funktion – also die Adresse des ersten Zeichens – so muss die Funktion entsprechend programmiert sein. Die Funktion selbst hat keine Möglichkeit zu unterscheiden, ob es sich um eine Flash-Adresse oder ein RAM-Adresse handelt. Die avr-libc und viele andere avr-gcc-Bibliotheken halten sich an die Konvention, dass Namen von Funktionen, die Flash-Adressen erwarten, mit dem Suffix <code>_P</code> versehen sind.

Eine Funktion, die einen im Flash abgelegten String z. B. an eine UART ausgibt, würde dann so aussehen:

<c>
void uart_puts_p (const char *text)
{
char zeichen;

while ((zeichen = pgm_read_byte (text)))
{
// so lange, wie mittels pgm_read_byte nicht das Stringende
// gelesen wurde: gib dieses Zeichen aus

uart_putc (Zeichen);
text++;
}
}
</c>

Von einigen Bibliotheken werden Makros definiert, die "automatisch" ein PSTR bei Verwendung einer Funktion einfügen. Ein Blick in den Header-File der Bibliothek zeigt, ob dies der Fall ist. Ein Beispiel aus P. Fleurys lcd-Library:

<c>
// Ausschnitt aus dem Header-File lcd.h der "Fleury-LCD-Lib."
extern void lcd_puts_p (const char *progmem_s);
#define lcd_puts_P(__s) lcd_puts_p(PSTR(__s))

// in einer Anwendung
#include <avr/pgmspace.h>
#include <string.h>
#include "lcd.h"

const char StringImFlash[] PROGMEM = "Erwin Lindemann";

void my_write (coid)
{
lcd_puts_p (StringImFlash);
lcd_puts_P ("Dr. Kloebner");
}</c>

=== Flash in der Anwendung schreiben ===

Bei AVRs mit "self-programming"-Option – auch bekannt als [[Bootloader]]-Support – können Teile des Flash-Speichers vom Anwendungsprogramm beschrieben werden. Dies ist nur möglich, wenn die Schreibfunktion in einem besonderen Speicherbereich, der boot-section des Programmspeichers/Flash, abgelegt ist.

Bei einigen kleinen AVRs gibt es keine gesonderte Boot-Section, bei diesen kann der Flashspeicher von jeder Stelle des Programms geschrieben werden. Für Details sei hier auf das jeweilige Controller-Datenblatt und die Erläuterungen zum Modul boot.h der avr-libc verwiesen. Es existieren auch Application-Notes dazu bei atmel.com, die auf avr-gcc-Code übertragbar sind.

Siehe auch:
* Forumsbeitrag [http://www.mikrocontroller.net/topic/163632#1561622 Daten in Programmspeicher speichern]

=== Warum so kompliziert? ===

Zu dem Thema, warum die Verabeitung von Werten aus dem Flash-Speicher so kompliziert ist, sei hier nur kurz erläutert: Die Harvard-Architektur des AVR weist getrennte Adressräume für Programm(Flash)- und Datenspeicher(RAM) auf. Der C-Standard und der gcc-Compiler sehen keine unterschiedlichen Adressräume vor.

Hat man zum Beispiel eine Funktion string_an_uart(const char* s) und übergibt an diese Funktion die Adresse einer Zeichenkette, z. B. 0x01fe, weiß die Funktion nicht, ob die Adresse auf den Flash-Speicher oder den/das RAM zeigt. Allein aus dem Pointer-Wert, alse dem Zahlenwert, kann nicht auf den Ort der ABlage geschlossen werden.

Einige AVR-Compiler bilden die Harvard-Architektur ab, indem sie in einen Pointer nicht nur die Adresse speichern, sondern auch den Ablageort wie ''Flash'' oder ''RAM''. Aufruf einer Funktion wird dann bei Pointer-Parametern neben der Adresse auch der Speicherbereich, auf den der Pointer zeigt, übergeben. Dies hat jedoch auch Nachteile, denn bei jeden Zugriff über einen Zeiger muss zur ''Laufzeit'' entschieden werden, wie der Zugriff auszuführen ist und entsprechend länglicher und langsamer Code ausgeführt werden.

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitte Modules/Program Space String Utilities und Abschnitt Modules/Bootloader Support Utilities

== EEPROM ==

Man beachte, dass der EEPROM-Speicher nur eine begrenzte Anzahl von Schreibzugriffen zulässt. Beschreibt man eine EEPROM-Zelle öfter als die im Datenblatt zugesicherte Anzahl (typisch 100.000), wird die Funktion der Zelle nicht mehr garantiert.
Dies gilt für jede einzelne Zelle. Bei geschickter Programmierung (z. B. Ring-Puffer), bei der die zu beschreibenden Zellen regelmäßig gewechselt werden, kann man eine deutlich höhere Anzahl an Schreibzugriffen, bezogen auf den Gesamtspeicher, erreichen.

Schreib- und Lesezugriffe auf den EEPROM-Speicher erfolgen über die im Modul eeprom.h definierten Funktionen. Mit diesen Funktionen können einzelne Bytes, Datenworte (16bit) und Datenblöcke geschrieben und gelesen werden.

Bei Nutzung des EEPROMs ist zu beachten, dass vor dem Zugriff auf diesen Speicher abgefragt wird, ob der Controller die vorherige EEPROM-Operation abgeschlossen hat. Die avr-libc-Funktionen beinhalten diese Prüfung, man muss sie nicht selbst implementieren. Man sollte auch verhindern, dass der Zugriff durch die Abarbeitung einer Interrupt-Routine unterbrochen wird, da bestimme Befehlsabfolgen vorgegeben sind, die innerhalb weniger Taktzyklen aufeinanderfolgen müssen ("timed sequence"). Auch dies muss bei Nutzung der Funktionen aus der avr-libc/eeprom.h-Datei nicht selbst implementiert werden. Innerhalb der Funktionen werden Interrupts vor der "EEPROM-Sequenz" global deaktiviert und im Anschluss, falls vorher auch schon eingeschaltet, wieder aktiviert.

Um eine Variable im EEPROM anzulegen, stellt die avr-libc das Makro EEMEM zur Verfügung<ref>In älteren Versionen der avr-libc ist EEMEM noch nicht vorhanden, und man kann sich folgendermassen behelfen:
<c>
#include <avr/eeprom.h>

#ifndef EEMEM
#define EEMEM __attribute__((section (".eeprom")))
#endif
</c></ref>, das analog zu PROGMEM verwendet wird.

<c>
#include <stdint.h>
#include <avr/eeprom.h>

/* Byte */
uint8_t eeFooByte EEMEM = 123;

/* Wort */
uint16_t eeFooWord EEMEM = 12345;

/* float */
float eeFooFloat EEMEM;

/* Byte-Array */
uint8_t eeFooByteArray1[] EEMEM = { 18, 3, 70 };
uint8_t eeFooByteArray2[] EEMEM = { 30, 7, 79 };

/* 16-bit unsigned short feld */
uint16_t eeFooWordArray1[4] EEMEM;
</c>

=== Bytes lesen/schreiben ===

Die avr-libc Funktion zum Lesen eines Bytes heißt eeprom_read_byte. Parameter ist die Adresse des Bytes im EEPROM. Geschrieben wird über die Funktion eeprom_write_byte mit den Parametern Adresse und Inhalt. Anwendungsbeispiel:

<c>
#define EEPROM_DEF 0xFF

void eeprom_example (void)
{
uint8_t myByte;

// myByte lesen (Wert = 123)
myByte = eeprom_read_byte (&eeFooByte);

// der Wert 99 wird im EEPROM an die Adresse der
// Variablen eeFooByte geschrieben
myByte = 99;
eeprom_write_byte(&eeFooByte, myByte); // schreiben

myByte = eeprom_read_byte &eeFooByteArray1[1]);
// myByte hat nun den Wert 3

// Beispiel zur "Sicherung" gegen leeres EEPROM nach "Chip Erase"
// (z. B. wenn die .eep-Datei nach Programmierung einer neuen Version
// des Programms nicht in den EEPROM uebertragen wurde und EESAVE
// deaktiviert ist (unprogrammed/1)
//
// Vorsicht: wenn EESAVE "programmed" ist, hilft diese Sicherung nicht
// weiter, da die Speicheraddressen in einem neuen/erweiterten Programm
// moeglicherweise verschoben wurden. An der Stelle &eeFooByte steht
// dann u.U. der Wert einer anderen Variable aus einer "alten" Version.

uint8_t fooByteDefault = 222;
if ((myByte = eeprom_read_byte (&eeFooByte)) == EEPROM_DEF)
{
myByte = fooByteDefault;
}
}
</c>

=== Wort lesen/schreiben ===

Schreiben und Lesen von Datenworten erfolgt analog zur Vorgehensweise bei Bytes:

<c>
// lesen
uint16_t myWord = eeprom_read_word (&eeFooWord);

// schreiben
eeprom_write_word (&eeFooWord, 2222);
</c>

=== Block lesen/schreiben ===

Lesen und Schreiben von Datenblöcken erfolgt über die Funktionen <code>eeprom_read_block()</code> bzw. <code>eeprom_write_block()</code>. Die Funktionen erwarten drei Parameter: die Adresse der Quell- bzw. Zieldaten im RAM, die EEPROM-Addresse und die Länge des Datenblocks in Bytes als <code>size_t</code>.
<c>
uint8_t myByteBuffer[3];
uint16_t myWordBuffer[4];

void eeprom_block_example (void)
{
/* Datenblock aus EEPROM lesen */

/* liest 3 Bytes ab der von eeFooByteArray1 definierten EEPROM-Adresse
in das RAM-Array myByteBuffer */
eeprom_read_block (myByteBuffer, eeFooByteArray1, 3);

/* dito mit etwas Absicherung betr. der Länge */
eeprom_read_block (myByteBuffer, eeFooByteArray1, sizeof(myByteBuffer));

/* und nun mit 16-Bit Array */
eeprom_read_block (myWordBuffer, eeFooWordArray1, sizeof(myWordBuffer));

/* Datenblock in EEPROM schreiben */
eeprom_write_block (myByteBuffer, eeFooByteArray1, sizeof(myByteBuffer));
eeprom_write_block (myWordBuffer, eeFooWordArray1, sizeof(myWordBuffer));
}
</c>

Ebenso lassen sich float-Variablen lesen und schreiben:

<c>
#include <avr/eeprom.h>

float eeFloat EEMEM = 12.34f;

float void eeprom_float_example (float value)
{
/* float in EEPROM schreiben */
eeprom_write_float (&eeFloat, value);

/* float aus EEPROM lesen */
return eeprom_read_float (&eeFloat);
}</c>

=== EEPROM-Speicherabbild in .eep-Datei ===

Mit den zum Compiler gehörenden Werkzeugen kann der aus den Variablendeklarationen abgeleitete EEPROM-Inhalt in eine Datei geschrieben werden. Die übliche Dateiendung ist .eep, Daten im Intel Hex-Format. Damit können Standardwerte für den EEPROM-Inhalt im Quellcode definiert werden.

Makefiles nach WinAVR/MFile-Vorlage enthalten bereits die notwendigen Einstellungen, siehe dazu die Erläuterungen im [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs Makefiles|Exkurs Makefiles]].

Der Inhalt der eep-Datei muss ebenfalls zum Mikrocontroller übertragen werden, wenn die Initialisierungswerte aus der Deklaration vom Programm erwartet werden. Ansonsten enthält der EEPROM-Speicher nach der Übertragung des Programmers mittels ISP abhängig von der Einstellung der EESAVE-Fuse<ref>vgl. Datenblatt Abschnitt Fuse Bits</ref> nicht die korrekten Werte:
; EESAVE = 0 (programmed): Die Daten im EEPROM bleiben erhalten. Werden sie nicht neu geschrieben, so enthält das EEPROM evtl. Daten, die nicht mehr zum Programm passen.
; EESAVE = 1 (unprogrammed): Beim Programmieren werden die Daten im EEPROM gelosch, also auf 0xff gesetzt.

Als Sicherung kann man im Programm nochmals die Standardwerte vorhalten, beim Lesen auf 0xFF prüfen und gegebenfalls einen Standardwert nutzen.

=== Direkter Zugriff auf EEPROM-Adressen ===

Will man direkt auf bestimmte EEPROM Adressen zugreifen, dann sind folgende Funktionen hilfreich, um sich die Typecasts zu ersparen:

<c>
#include <avr/eeprom.h>

// Byte aus dem EEPROM lesen
uint8_t EEPReadByte(uint16_t addr)
{
return eeprom_read_byte((uint8_t *)addr);
}

// Byte in das EEPROM schreiben
void EEPWriteByte(uint16_t addr, uint8_t val)
{
eeprom_write_byte((uint8_t *)addr, val);
}
</c>

oder als Makro:

<c>
#define EEPReadByte(addr) eeprom_read_byte((uint8_t *)addr)
#define EEPWriteByte(addr, val) eeprom_write_byte((uint8_t *)addr, val)
</c>

Verwendung:

<c>
EEPWriteByte(0x20, 128); // Byte an die Adresse 0x20 schreiben
...
Val=EEPReadByte(0x20); // EEPROM-Wert von Adresse 0x20 lesen
</c>

=== Bekannte Probleme bei den EEPROM-Funktionen ===

Vorsicht: Bei alten Versionen der avr-libc wurden nicht alle AVR Controller unterstützt. Z.B. bei der avr-libc Version 1.2.3 insbesondere bei AVRs "der neuen Generation" (ATmega48/88/168/169) funktionieren die Funktionen nicht korrekt (Ursache: unterschiedliche Speicheradressen der EEPROM-Register). In neueren Versionen (z. B. avr-libc 1.4.3 aus WinAVR 20050125) wurde die Zahl der unterstüzten Controller deutlich erweitert und eine Methode zur leichten Anpassung an zukünftige Controller eingeführt.

In jedem Datenblatt zu AVR-Controllern mit EEPROM sind kurze Beispielecodes für den Schreib- und Lesezugriff enthalten. Will oder kann man nicht auf die neue Version aktualisieren, kann der dort gezeigte Code auch mit dem avr-gcc (ohne avr-libc/eeprom.h) genutzt werden ("copy/paste", gegebenfalls Schutz vor Unterbrechnung/Interrupt ergänzen ''uint8_t sreg; sreg=SREG; cli(); [EEPROM-Code] ; SREG=sreg; return;'', siehe Abschnitt Interrupts). Im Zweifel hilft ein Blick in den vom Compiler erzeugten Assembler-Code (lst/lss-Dateien).

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/EEPROM handling

=== EEPROM Register ===
Um das EEPROM anzusteuern, sind drei Register von Bedeutung:
;EEAR: Hier werden die Adressen eingetragen zum Schreiben oder Lesen. Dieses Register unterteilt sich nochmal in EEARH und EEARL, da in einem 8-Bit-Register keine 512 Adressen adressiert werden können.
;EEDR: Hier werden die Daten eingetragen, die geschrieben werden sollen, bzw. es enthält die gelesenen Daten.
;EECR: Ist das Kontrollregister für das EEPROM

Das EECR steuert den Zugriff auf das EEPROM und ist wie folgt aufgebaut:

:{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''Aufbau des EECR-Registers'''
|-
!Bit
| 7 || 6 || 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| - || - || - ||- || EERIE || EEMWE || EEWE || EERE
|-
! Read/Write
| R || R || R || R || R/W || R/W || R/W || R/W
|-
!Init Value
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0
|}

'''Bedeutung der Bits'''

;Bit 4-7: nicht belegt

;Bit 3 (EERIE): ''EEPROM Ready Interrupt Enable'': Wenn das Bit gesetzt ist und globale Interrupts erlaubt sind in Register SREG (Bit 7), wird ein Interrupt ausgelöst nach Beendigung des Schreibzyklus (EEPROM Ready Interrupt). Ist einer der beiden Bits 0, wird kein Interrupt ausgelöst.

;Bit 2 EEMWE): ''EEPROM Master Write Enable'': Dieses Bit bestimmt, dass, wenn EEWE = 1 gesetzt wird (innerhalb von 4 Taktzyklen), das EEPROM beschrieben wird mit den Daten in EEDR bei Adresse EEAR. Wenn EEMWE = 0 ist und EEWE = 1 gesetzt wird, hat das keine Auswirkungen. Der Schreibvorgang wird dann nicht ausgelöst. Nach 4 Taktzyklen wird das Bit EEMWE automatisch wieder auf 0 gesetzt. Dieses Bit löst den Schreibvorgang nicht aus, es dient sozusagen als Sicherungsbit für EEWE.

;Bit 1 (EEWE): ''EEPROM Write Enable'': Dieses Bit löst den Schreibvorgang aus, wenn es auf 1 gesetzt wird, sofern vorher EEMWE gesetzt wurde und seitdem nicht mehr als 4 Taktzyklen vergangen sind. Wenn der Schreibvorgang abgeschlossen ist, wird dieses Bit automatisch wieder auf 0 gesetzt und, sofern EERIE gesetzt ist, ein Interrupt ausgelöst. Ein Schreibvorgang sieht typischerweise wie folgt aus:
:# EEPROM-Bereitschaft abwarten (EEWE=0)
:# Adresse übergeben an EEAR
:# Daten übergeben an EEDR
:# Schreibvorgang auslösen in EECR mit Bit EEMWE=1 und EEWE=1
:# (Optional) Warten, bis Schreibvorgang abgeschlossen ist

;Bit 0 EERE: ''EEPROM Read Enable'': Wird dieses Bit auf 1 gesetzt wird das EEPROM an der Adresse in EEAR ausgelesen und die Daten in EEDR gespeichert. Das EEPROM kann nicht ausgelesen werden, wenn bereits eine Schreiboperation gestartet wurde. Es ist daher zu empfehlen, die Bereitschaft vorher zu prüfen. Das EEPROM ist lesebereit, wenn das Bit EEWE=0 ist. Ist der Lesevorgang abgeschlossen, wird das Bit wieder auf 0 gesetzt, und das EEPROM ist für neue Lese- und Schreibbefehle wieder bereit. Ein typischer Lesevorgang kann wie folgt aufgebaut sein:
:# Bereitschaft zum Lesen prüfen (EEWE=0)
:# Adresse übergeben an EEAR
:# Lesezyklus auslösen mit EERE = 1
:# Warten, bis Lesevorgang abgeschlossen EERE = 0
:# Daten abholen aus EEDR

= Die Nutzung von sprintf und printf =

Um komfortabel, d.h. formatiert, Ausgaben auf ein Display oder die serielle Schnittstelle zu tätigen, bieten sich '''sprintf''' oder '''printf''' an.

Alle *printf-Varianten sind jedoch ziemlich speicherintensiv, und der Einsatz in einem Mikrocontroller mit knappem Speicher muss sorgsam abgewogen werden.

Bei '''sprintf''' wird die Ausgabe zunächst in einem Puffer vorbereitet und anschließend mit einfachen Funktionen zeichenweise ausgegeben. Es liegt in der Verantwortung des Programmierers, genügend Platz im Puffer für die erwarteten Zeichen bereitzuhalten.

<c>
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

// ...
// nicht dargestellt: Implementierung von uart_puts (vgl. Abschnitt UART)
// ...

uint16_t counter;

// Ausgabe eines unsigned Integerwertes
void uart_puti( uint16_t value )
{
uint8_t puffer[20];

sprintf( puffer, "Zählerstand: %u", value );
uart_puts( puffer );
}

int main()
{
counter = 5;

uart_puti( counter );
uart_puti( 42 );
}
</c>

Eine weitere elegante Möglichkeit besteht darin, den STREAM stdout (Standardausgabe) auf eine eigene Ausgabefunktion umzuleiten. Dazu wird dem Ausgabemechanismus der C-Bibliothek eine neue Ausgabefunktion bekannt gemacht, deren Aufgabe es ist, ein einzelnes Zeichen auszugeben. Wohin die Ausgabe dann tatsächlich stattfindet, ist Sache der Ausgabefunktion. Im Beispiel unten wird auf UART ausgegeben. Alle anderen, höheren Funktionen wie z. B. '''printf''', greifen letztendlich auf diese primitive Ausgabefunktion zurück.

<c>
#include <avr/io.h>
#include <stdio.h>

void uart_init(void);

// a. Deklaration der primitiven Ausgabefunktion
int uart_putchar(char c, FILE *stream);

// b. Umleiten der Standardausgabe stdout (Teil 1)
static FILE mystdout = FDEV_SETUP_STREAM( uart_putchar, NULL, _FDEV_SETUP_WRITE );

// c. Definition der Ausgabefunktion
int uart_putchar( char c, FILE *stream )
{
if( c == '\n' )
uart_putchar( '\r', stream );

loop_until_bit_is_set( UCSRA, UDRE );
UDR = c;
return 0;
}

void uart_init(void)
{
/* hier µC spezifischen Code zur Initialisierung */
/* des UART einfügen... s.o. im AVR-GCC-Tutorial */

// Beispiel:
//
// myAVR Board 1.5 mit externem Quarz Q1 3,6864 MHz
// 9600 Baud 8N1

#ifndef F_CPU
#define F_CPU 3686400
#endif
#define UART_BAUD_RATE 9600

// Hilfsmakro zur UBRR-Berechnung ("Formel" laut Datenblatt)
#define UART_UBRR_CALC(BAUD_,FREQ_) ((FREQ_)/((BAUD_)*16L)-1)

UCSRB |= (1<<TXEN) | (1<<RXEN); // UART TX und RX einschalten
UCSRC |= (1<<URSEL)|(3<<UCSZ0); // Asynchron 8N1

UBRRH = (uint8_t)( UART_UBRR_CALC( UART_BAUD_RATE, F_CPU ) >> 8 );
UBRRL = (uint8_t)UART_UBRR_CALC( UART_BAUD_RATE, F_CPU );
}

int main(void)
{
int16_t antwort = 42;
uart_init();

// b. Umleiten der Standardausgabe stdout (Teil 2)
stdout = &mystdout;

// Anwendung
printf( "Die Antwort ist %d.\n", antwort );
return 0;
}

// Quelle: avr-libc-user-manual-1.4.3.pdf, S.74
// + Ergänzungen
</c>

Sollen Fließkommazahlen ausgegeben werden, muss im Makefile eine andere (größere) Version der [[FAQ#Aktivieren_der_Floating_Point_Version_von_sprintf_beim_WinAVR_mit_AVR-Studio|printflib]] eingebunden werden.

= Anhang =

== Externe Referenzspannung des internen Analog-Digital-Wandlers ==

Die minimale (externe) Referenzspannung des ADC darf nicht beliebig niedrig sein, vgl. dazu das (aktuellste) Datenblatt des verwendeten Controllers. z. B. beim ATMEGA8 darf sie laut Datenblatt (S.245, Tabelle 103, Zeile "VREF") 2,0V nicht unterschreiten. HINWEIS: diese Information findet sich erst in der letzten Revision (Rev. 2486O-10/04) des Datenblatts.

Meiner  eigenen Erfahrung nach kann man aber (auf eigene Gefahr und natürlich nicht für Seriengeräte) durchaus noch ein klein wenig weiter heruntergehen, bei dem von mir unter die Lupe genommenen ATMEGA8L (also die Low-Voltage-Variante) funktioniert der ADC bei 5V Betriebsspannung mit bis zu VREF=1,15V hinunter korrekt, ab 1,1V und darunter digitalisiert er jedoch nur noch Blödsinn). Ich würde sicherheitshalber nicht unter 1,5V gehen und bei niedrigeren Betriebsspannungen mag sich die Untergrenze für VREF am Pin AREF ggf. nach oben'''(!)''' verschieben.

In der letzten Revision des Datenblatts ist außerdem korrigiert, dass ADC4 und ADC5 sehr wohl 10 Bit Genauigkeit bieten (und nicht bloß 8 Bit, wie in älteren Revisionen irrtümlich angegeben.)

= Anmerkungen =
<references/>

= TODO =
* Aktualisierung Register- und Bitbeschreibungen an aktuelle AVR
* stdio.h, malloc()
* "naked"-Funktionen
* Übersicht zu den C bzw. GCC-predefined Makros (__DATE__, __TIME__,...)
* Bootloader => erl. [[AVR Bootloader in C - eine einfache Anleitung]]
* [http://myweb.msoe.edu/~barnicks/courses/CE-2800/documents/Mixing%20C%20and%20assembly%20language%20programs.pdf Mixing C and assembly language programs] Copyright © 2007 William Barnekow (PDF).

[[Kategorie:avr-gcc Tutorial| ]]

AVR-GCC-Tutorial

2011-08-21T05:49:24Z

Mfgkw: /* Was tun, wenn's nicht "klappt"? */

= Voraussetzungen =

Vorausgesetzt werden Grundkenntnisse der Progammiersprache C. Diese Kenntnisse kann man sich online erarbeiten, z. B. mit dem [http://www.schellong.de/c.htm C Tutorial von Helmut Schellong] ([[C|Liste von C-Tutorials]]). Nicht erforderlich sind Vorkenntnisse in der Programmierung von Mikrocontrollern, weder in Assembler noch in einer anderen Sprache.

= Vorwort =

Dieses Tutorial soll den Einstieg in die Programmierung von Atmel [[AVR]]-Mikrocontrollern in der Programmiersprache [[C]] mit dem freien C-Compiler [[AVR-GCC]] aus der [http://gcc.gnu.org/ GNU Compiler Collection] erleichtern.

In diesem Text wird häufig auf die Standardbibliothek avr-libc verwiesen, für die es eine [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Online-Dokumentation] gibt, in der sich auch viele nützliche Informationen zum Compiler und zur Programmierung von AVR Controllern finden (beim Packet WinAVR gehört die avr-libc Dokumentation zum Lieferumfang und wird mitinstalliert).

Der Compiler und die Standardbibliothek avr-libc werden stetig weiterentwickelt. Einige Unterschiede, die sich im Verlauf der Entwicklung ergeben haben, werden im Haupttext und Anhang zwar erläutert, Anfängern sei jedoch empfohlen, die aktuellen Versionen zu nutzen (für MS-Windows: aktuelle Version des [[WinAVR]]-Pakets; für Linux: siehe Artikel [[AVR und Linux]]).

Das ursprüngliche Tutorial stammt von Christian Schifferle, viele neue Abschnitte und aktuelle Anpassungen von Martin Thomas.

Dieses Tutorial ist in PDF-Form hier erhältlich (nicht immer auf aktuellem Stand):
[[Media:AVR-GCC-Tutorial.pdf]]

== Weiterführende Kapitel ==

Um dieses riesige Tutorial etwas überschaubarer zu gestalten, wurden einige Kapitel ausgelagert, die nicht unmittelbar mit den Grundlagen von avr-gcc in Verbindung stehen. All diese Seiten gehören zur [[:Kategorie:avr-gcc Tutorial]].
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Der UART|Der UART]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Der Watchdog|Der Watchdog]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Die Timer und Zähler des AVR|Die Timer und Zähler des AVR]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs Makefiles|Exkurs Makefiles]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/LCD-Ansteuerung|LCD-Ansteuerung]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Alte Quellen|Alte Quellen anpassen]]
: → [[AVR-GCC-Tutorial/Assembler und Inline-Assembler|Assembler und Inline-Assembler]]

= Benötigte Werkzeuge =

Um eigene Programme für AVRs mittels avr-gcc/avr-libc zu erstellen und zu testen, wird folgende Hard- und Software benötigt:

* Platine oder Versuchsaufbau für die Aufnahme eines AVR Controllers, der vom avr-gcc Compiler unterstützt wird (alle ATmegas und die meisten AT90, siehe Dokumentation der avr-libc für unterstützte Typen). Dieses Testboard kann durchaus auch selbst gelötet oder auf einem Steckbrett aufgebaut werden. Einige Registerbeschreibungen dieses Tutorials beziehen sich auf den inzwischen veralteten AT90S2313. Der weitaus größte Teil des Textes ist aber für alle Controller der AVR-Familie gültig. Brauchbare Testplattformen sind auch das [[STK500]] und der [[AVR Butterfly]] von Atmel. Weitere Infos findet man in den Artikeln [[AVR#Starterkits|AVR Starterkits]] und [[AVR-Tutorial: Equipment]].

* Der avr-gcc Compiler und die avr-libc. Kostenlos erhältlich für nahezu alle Plattformen und Betriebssysteme. Für MS-Windows im Paket [[WinAVR]]; für Unix/Linux siehe auch Hinweise im Artikel [[AVR-GCC]] und im Artikel [[AVR und Linux]].

* Programmiersoftware und -[[AVR In System Programmer |hardware]] z. B. PonyProg (siehe auch: [[Pony-Prog Tutorial]]) oder [[AVRDUDE]] mit [[STK200]]-Dongle oder die von Atmel verfügbare Hard- und Software ([[STK500]], Atmel AVRISP, [[AVR-Studio]]).

* Nicht unbedingt erforderlich, aber zur Simulation und zum Debuggen unter MS-Windows recht nützlich: [[AVR-Studio]] (siehe Artikel [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs_Makefiles|Exkurs: Makefiles]]).

* Wer unter Windows und Linux gleichermassen entwickeln will, der sollte sich die [http://www.eclipse.org/ IDE Eclipse for C/C++ Developers] und das [http://avr-eclipse.sourceforge.net/wiki/index.php/The_AVR_Eclipse_Plugin AVR-Eclipse Plugin ] ansehen, beide sind unter Windows und Linux einfach zu installieren. Hier gibt es auch einen [[AVR_Eclipse|Artikel AVR Eclipse]] in dieser Wiki. Ebenfalls unter Linux und Windows verfügbar ist die Entwicklungsumgebung [http://www.codeblocks.org/ Code::Blocks] (aktuelle, stabile Versionen sind als Nightly Builds regelmäßig im [http://forums.codeblocks.org/ Forum] verfügbar). Innerhalb dieser Entwicklungsumgebung können ohne die Installation zusätzlicher Plugins "AVR-Projekte" angelegt werden. Für Linux gibt es auch noch das [http://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=25220&postdays=0&postorder=asc&start=0 KontrollerLab].

= Was tun, wenn's nicht "klappt"? =

* Herausfinden, ob es tatsächlich ein avr(-gcc) spezifisches Problem ist oder nur die eigenen C-Kenntnisse einer Auffrischung bedürfen. Allgemeine C-Fragen kann man eventuell "beim freundlichen Programmierer zwei Büro-, Zimmer- oder Haustüren weiter" loswerden. Ansonsten: [[C]]-Buch (gibt's auch "gratis" online) lesen.

* Die [[AVR Checkliste]] durcharbeiten.

* Die '''[http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc]''' lesen, vor allem (aber nicht nur) den Abschnitt Related Pages/'''Frequently Asked Questions''' = Oft gestellte Fragen (und Antworten dazu). Z.Zt leider nur in englischer Sprache verfügbar.

* Den Artikel [[AVR-GCC]] in diesem Wiki lesen.

* Das [http://www.mikrocontroller.net/forum/gcc GCC-Forum auf www.mikrocontroller.net] nach vergleichbaren Problemen absuchen.

* Das avr-gcc-Forum bei [http://www.avrfreaks.net AVRfreaks] nach vergleichbaren Problemen absuchen.

* Das [http://lists.gnu.org/archive/html/avr-gcc-list/ Archiv der avr-gcc Mailing-Liste] nach vergleichbaren Problemen absuchen.

* Nach Beispielcode suchen. Vor allem im ''Projects''-Bereich von [http://www.avrfreaks.net AVRfreaks] (anmelden).

* Google oder yahoo befragen schadet nie.

* Bei Problemen mit der Ansteuerung interner AVR-Funktionen mit C-Code: das Datenblatt des Controllers lesen (ganz und am Besten zweimal). Datenblätter sind auf den [http://www.atmel.com Atmel Webseiten] als pdf-Dateien verfügbar. Das komplette Datenblatt (complete) und nicht die Kurzfassung (summary) verwenden.

* Die Beispielprogramme im [[AVR-Tutorial]] sind zwar in AVR-Assembler verfasst, Erläuterungen und Vorgehensweisen sind aber auch auf C-Programme übertragbar.

* Einen Beitrag in eines der Foren oder eine Mail an die Mailing-Liste schreiben. Dabei möglichst viel Information geben: Controller, Compilerversion, genutzte Bibliotheken, Ausschnitte aus dem Quellcode oder besser ein [http://www.mikrocontroller.net/topic/72767#598986 Testprojekt] mit allen notwendigen Dateien, um das Problem nachzuvollziehen, sowie genaue Fehlermeldungen bzw. Beschreibung des Fehlverhaltens. Bei Ansteuerung externer Geräte die Beschaltung beschreiben oder skizzieren (z. B. mit [http://www.tech-chat.de/ Andys ASCII Circuit]). Siehe dazu auch: '''[http://www.tty1.net/smart-questions_de.html "Wie man Fragen richtig stellt"]'''.

= Erzeugen von Maschinencode =

Aus dem C-Quellcode erzeugt der avr-gcc Compiler (zusammen mit Hilfsprogrammen wie z. B. Präprozessor, Assembler und Linker) Maschinencode für den AVR-Controller. Üblicherweise liegt dieser Code dann im Intel Hex-Format vor ("Hex-Datei"). Die Programmiersoftware (z. B. [[AVRDUDE]], PonyProg oder AVRStudio/STK500-plugin) liest diese Datei ein und überträgt die enthaltene Information (den Maschinencode) in den Speicher des Controllers. Im Prinzip sind also "nur" der avr-gcc-Compiler (und wenige Hilfsprogramme) mit den "richtigen" Optionen aufzurufen, um aus C-Code eine "Hex-Datei" zu erzeugen. Grundsätzlich stehen dazu zwei verschiedene Ansätze zur Verfügung:

* Die Verwendung einer integrierten Entwicklungsumgebung (IDE = '''I'''ntegrated '''D'''evelopment '''E'''nvironment), bei der alle Einstellungen z. B. in Dialogboxen durchgeführt werden können. Unter Anderem kann AVRStudio ab Version 4.12 (kostenlos auf [http://www.atmel.com/ atmel.com]) zusammen mit WinAVR als integrierte Entwicklungsumgebung für den Compiler avr-gcc genutzt werden (dazu müssen AVRStudio und WinAVR auf dem Rechner installiert sein). Weitere IDEs (ohne Anspruch auf Vollständigkeit): [http://www.eclipse.org/ Eclipse for C/C++ Developers] (d.h. inkl. CDT) und das [http://avr-eclipse.sourceforge.net/wiki/index.php/The_AVR_Eclipse_Plugin AVR-Eclipse Plugin] (für diverse Plattformen, u.a. Linux und MS Windows, IDE und Plugin kostenlos), [http://sourceforge.net/projects/kontrollerlab KontrollerLab] (Linux/KDE, kostenlos). [http://www.atmanecl.com/EnglishSite/SoftwareEnglish.htm AtmanAvr] (MS Windows, relativ günstig), KamAVR (MS-Windows, kostenlos, wird augenscheinlich nicht mehr weiterentwickelt), [http://www.amctools.com/vmlab.htm VMLab] (MS Windows, ab Version 3.12 ebenfalls kostenlos). Integrierte Entwicklungsumgebungen unterscheiden sich stark in Ihrer Bedienung und stehen auch nicht für alle Plattformen zur Verfügung, auf denen der Compiler ausführbar ist (z. B. AVRStudio nur für MS-Windows). Zur Anwendung des avr-gcc Compilers mit IDEs sei hier auf deren Dokumentation verwiesen.

* Die Nutzung des Programms make mit passenden Makefiles. In den folgenden Abschnitten wird die Generierung von Maschinencode für einen AVR ("hex-Datei") aus C-Quellcode ("c-Dateien") anhand von "make" und den "Makefiles" näher erläutert. Viele der darin beschriebenen Optionen findet man auch im Konfigurationsdialog des avr-gcc-Plugins von AVRStudio (AVRStudio generiert ein makefile in einem Unterverzeichnis des Projektverzeichnisses).

Beim Wechsel vom makefile-Ansatz nach WinAVR-Vorlage zu AVRStudio ist darauf zu achten, dass AVRStudio (Stand: AVRStudio Version 4.13) bei einem neuen Projekt die Optimierungsoption (vgl. Artikel [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs_Makefiles|AVR-GCC-Tutorial/Exkurs: Makefiles]], typisch: -Os) nicht einstellt und die mathematische Bibliothek der avr-libc (libm.a, Linker-Option -lm) nicht einbindet. (Hinweis: Bei Version 4.16 wird beides bereits gesetzt). Beides ist Standard bei Verwendung von makefiles nach WinAVR-Vorlage und sollte daher auch im Konfigurationsdialog des avr-gcc-Plugins von AVRStudio "manuell" eingestellt werden, um auch mit AVRStudio kompakten Code zu erzeugen.

= Einführungsbeispiel =

Zum Einstieg ein kleines Beispiel, an dem die Nutzung des Compilers und der Hilfsprogramme (der sogenannten ''Toolchain'') demonstriert wird. Detaillierte Erläuterungen folgen in den weiteren Abschnitten dieses Tutorials.

Das Programm soll auf einem AVR Mikrocontroller einige Ausgänge ein- und andere ausschalten. Das Beispiel ist für einen ATmega16 programmiert ([http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2466.pdf Datenblatt]), kann aber sinngemäß für andere Controller der AVR-Familie modifiziert werden.

Ein kurzes Wort zur Hardware: Bei diesem Programm werden alle Pins von PORTB auf Ausgang gesetzt, und einige davon werden auf HIGH andere auf LOW gesetzt. Das kann je nach angeschlossener Hardware an diesen Pins kritisch sein. Am ungefährlichsten ist es, wenn nichts an den Pins angeschlossen ist und man die Funktion des Programmes durch eine Spannungsmessung mit einem Multimeter kontrolliert. Die Spannung wird dabei zwischen GND-Pin und den einzelnen Pins von PORTB gemessen.

Zunächst der Quellcode der Anwendung, der in einer Text-Datei mit dem Namen ''main.c'' abgespeichert wird.

<c>
/* Alle Zeichen zwischen Schrägstrich-Stern
und Stern-Schrägstrich sind Kommentare */

// Zeilenkommentare sind ebenfalls möglich
// alle auf die beiden Schrägstriche folgenden
// Zeichen einer Zeile sind Kommentar

#include <avr/io.h> // (1)

int main (void) { // (2)

DDRB = 0xFF; // (3)
PORTB = 0x03; // (4)

while(1) { // (5)
/* "leere" Schleife*/ // (6)
} // (7)

/* wird nie erreicht */
return 0; // (8)
}
</c>

# In dieser Zeile wird eine sogenannte Header-Datei eingebunden. In <code>avr/io.h</code> sind die Registernamen definiert, die im späteren Verlauf genutzt werden. Auch unter Windows wird ein <code>/</code> zur Kennzeichnung von Unterverzeichnissen in Include-Dateinamen verwendet und kein <code>\</code>.
# Hier beginnt das eigentliche Programm. Jedes C-Programm beginnt mit den Anweisungen in der Funktion <code>main</code>.
# Die Anschlüsse eines AVR ("Beinchen") werden zu Blöcken zusammengefasst, einen solchen Block bezeichnet man als Port. Beim ATmega16 hat jeder Port 8 Anschlüsse, bei kleineren AVRs können einem Port auch weniger als 8 Anschlüsse zugeordnet sein. Da per Definition (Datenblatt) alle gesetzten Bits in einem Datenrichtungsregister den entsprechenden Anschluss auf Ausgang schalten, werden mit DDRB=0xff alle Anschlüsse des Ports B als Ausgänge eingestellt.
# stellt die Werte der Ausgänge ein. Die den ersten beiden Bits des Ports zugeordneten Anschlüsse (PB0 und PB1) werden 1, alle anderen Anschlüsse des Ports B (PB2-PB7) zu 0. Aktivierte Ausgänge (logisch 1 oder "high") liegen auf Betriebsspannung (VCC, meist 5 Volt), nicht aktivierte Ausgänge führen 0 Volt (GND, Bezugspotential). Es ist sinnvoll, sich möglichst frühzeitig eine alternative Schreibweise beizubringen, die wegen der leichteren Überprüfbarkeit und Portierbarkeit oft im weiteren Tutorial und in Forenbeiträgen benutzt wird. Die Zuordnung sieht in diesem Fall so aus, Näheres dazu im Artikel [[Bitmanipulation]]:<c>PORTB = (1<<PB1) | (1<<PB0);</c>
# ist der Beginn der sogenannte ''Hauptschleife'' (main-loop). Dies ist eine Endlosschleife, welche kontinuierlich wiederkehrende Befehle enthält.
# In diesem Beispiel ist die Hauptschleife leer. Der Controller durchläuft die Schleife immer wieder, ohne dass etwas passiert. Eine solche Schleife ist notwendig, da es auf dem Controller kein Betriebssystem gibt, das nach Beendigung des Programmes die Kontrolle übernehmen könnte. Ohne diese Schleife kehrt das Programm aus <code>main</code> zurück, alle Interrupts werden deaktiviert und eine Endlosschleife betreten.
# Ende der Hauptschleife und Sprung zur passenden, öffnenden Klammer, also zu 5.
# ist das Programmende. Die Zeile ist nur aus Gründen der C-Kompatibilität enthalten: <c>int main(void)</c> besagt, dass die Funktion einen int-Wert zurückgibt. Die Anweisung wird aber nicht erreicht, da das Programm die Hauptschleife nie verlässt.

Um diesen Quellcode in ein lauffähiges Programm zu übersetzen, wird hier ein Makefile genutzt. Das verwendete Makefile findet sich auf der Seite [[Beispiel Makefile]] und basiert auf der Vorlage, die in WinAVR mitgeliefert wird und wurde bereits angepasst (Controllertyp ATmega16). Man kann das Makefile bearbeiten und an andere Controller anpassen oder sich mit dem Programm MFile menügesteuert ein Makefile "zusammenklicken". Das Makefile speichert man unter dem Namen <code>Makefile</code> (ohne Endung) im selben Verzeichnis, in dem auch die Datei <code>main.c</code> mit dem Programmcode abgelegt ist. Detailliertere Erklärungen zur Funktion von Makefiles finden sich im Artikel [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs_Makefiles|Exkurs: Makefiles]].

<pre>
D:\beispiel>dir

Verzeichnis von D:\beispiel

28.11.2006 22:53 <DIR> .
28.11.2006 22:53 <DIR> ..
28.11.2006 20:06 118 main.c
28.11.2006 20:03 16.810 Makefile
2 Datei(en) 16.928 Bytes
</pre>

Nun gibt man ''make all'' ein. Falls das mit WinAVR installierte Programmers Notepad genutzt wird, gibt es dazu einen Menüpunkt im Tools Menü. Sind alle Einstellungen korrekt, entsteht eine Datei <code>main.hex</code>, in welcher der Code für den AVR enthalten ist.
<pre>
D:\beispiel>make all

-------- begin --------
avr-gcc (GCC) 3.4.6
Copyright (C) 2006 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions. There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

Compiling C: main.c
avr-gcc -c -mmcu=atmega16 -I. -gdwarf-2 -DF_CPU=1000000UL -Os -funsigned-char -f
unsigned-bitfields -fpack-struct -fshort-enums -Wall -Wstrict-prototypes -Wundef
-Wa,-adhlns=obj/main.lst -std=gnu99 -Wundef -MD -MP -MF .dep/main.o.d main.c -
o obj/main.o

Linking: main.elf
avr-gcc -mmcu=atmega16 -I. -gdwarf-2 -DF_CPU=1000000UL -Os -funsigned-char -funs
igned-bitfields -fpack-struct -fshort-enums -Wall -Wstrict-prototypes -Wundef -W
a,-adhlns=obj/main.o -std=gnu99 -Wundef -MD -MP -MF .dep/main.elf.d obj/main.o
--output main.elf -Wl,-Map=main.map,--cref -lm

Creating load file for Flash: main.hex
avr-objcopy -O ihex -R .eeprom main.elf main.hex
</pre>

Der Inhalt der hex-Datei kann nun zum Controller übertragen werden. Dies kann z. B. über In-System-Programming ([[ISP]]) erfolgen, das im [[AVR-Tutorial: Equipment]] beschrieben ist. Makefiles nach der WinAVR/MFile-Vorlage sind für die Nutzung des Programms [[AVRDUDE]] vorbereitet. Wenn man den Typ und Anschluss des Programmiergerätes richtig eingestellt hat, kann mit ''make program'' die Übertragung mittels AVRDUDE gestartet werden. Jede andere Software, die hex-Dateien lesen und zu einem AVR übertragen kann<ref>z. B. [[Pony-Prog_Tutorial|Ponyprog]], yapp, AVRStudio</ref>, kann natürlich ebenfalls genutzt werden.

Startet man nun den Controller (Reset-Taster oder Stromzufuhr aus/an), werden vom Programm die Anschlüsse PB0 und PB1 auf 1 gesetzt. Man kann mit einem Messgerät nun an diesem Anschluss die Betriebsspannung messen oder eine [[LED]] leuchten lassen (Anode an den Pin, Vorwiderstand nicht vergessen). An den Anschlüssen PB2-PB7 misst man 0 Volt. Eine mit der Anode mit einem dieser Anschlüsse verbundene LED leuchtet nicht.

= Ganzzahlige (Integer) Datentypen =

Bei der Programmierung von Mikrokontrollern ist die Definition einiger ganzzahliger Datentypen sinnvoll, an denen eindeutig die Bit-Länge abgelesen werden kann.

Standardisierte Datentypen werden in der Header-Datei <code>stdint.h</code> definiert, die folgendermaßen eingebunden werden kann:
<c>#include <stdint.h></c>

{| {{Tabelle}}
|+ '''int-Typen aus <code>stdint.h</code> (C99)'''  
|- bgcolor="#d0d0ff"
!colspan="5"| Vorzeichenbehaftete int-Typen
|- bgcolor="#e8e8ff"
! Typname || Bit-Breite ||colspan="2"| Wertebereich
|align="center| '''C-Entsprechung''' (avr-gcc)
|-
|<code>int8_t</code> ||align="right"| 8 || −128 ⋯ 127 || −27 ⋯ 27−1 || <code>signed char</code>
|-
|<code>int16_t</code> ||align="right"| 16 || −32768 ⋯ 32767 || −215 ⋯ 215−1 || <code>signed short</code>, <code>signed int</code>
|-
|<code>int32_t</code> ||align="right"| 32 || −2147483648 ⋯ 2147483647 || −231 ⋯ 231−1 || <code>signed long</code>
|-
|<code>int64_t</code> ||align="right"| 64 || −9223372036854775808 ⋯ 9223372036854775807 || −263 ⋯ 263−1 || <code>signed long long</code>
|- bgcolor="#d0d0ff"
!colspan="5"| Vorzeichenlose int-Typen
|- bgcolor="#e8e8ff"
! Typname || Bit-Breite ||colspan="2"| Wertebereich
|align="center| '''C-Entsprechung''' (avr-gcc)
|-
|<code>uint8_t</code> ||align="right"| 8 || 0 ⋯ 255 || 0 ⋯ 28−1 || <code>unsigned char</code>
|-
|<code>uint16_t</code> ||align="right"| 16 || 0 ⋯ 65535 || 0 ⋯ 216−1 || <code>unsigned short</code>, <code>unsigned int</code>
|-
|<code>uint32_t</code> ||align="right"| 32 || 0 ⋯ 4294967295 || 0 ⋯ 232−1 || <code>unsigned long</code>
|-
|<code>uint64_t</code> ||align="right"| 64 || 0 ⋯ 18446744073709551615 || 0 ⋯ 264−1 || <code>unsigned long long</code>
|}

Neben den Typen gibt es auch Makros für die Bereichsgrenzen wie <code>INT8_MIN</code> oder <code>UINT16_MAX</code>. Siehe dazu auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__avr__stdint.html Dokumentation der avr-libc: Standard Integer Types].

= Bitfelder =

Beim Programmieren von Mikrocontrollern muss auf jedes Byte oder sogar auf
jedes Bit geachtet werden. Oft müssen wir in einer Variablen lediglich den
Zustand 0 oder 1 speichern. Wenn wir nun zur Speicherung eines einzelnen Wertes
den kleinsten bekannten Datentypen, nämlich '''unsigned char''', nehmen, dann
verschwenden wir 7 Bits, da ein '''unsigned char''' ja 8 Bits breit ist.

Hier bietet uns die Programmiersprache C ein mächtiges Werkzeug an, mit dessen
Hilfe wir 8 Bits in eine einzelne Bytevariable zusammenfassen und (fast) wie
8 einzelne Variablen ansprechen können. Die Rede ist von sogenannten Bitfeldern. Diese werden als Strukturelemente definiert. Sehen wir uns dazu doch am besten gleich ein Beispiel an:

<c>
struct {
unsigned bStatus_1:1; // 1 Bit für bStatus_1
unsigned bStatus_2:1; // 1 Bit für bStatus_2
unsigned bNochNBit:1; // Und hier noch mal ein Bit
unsigned b2Bits:2; // Dieses Feld ist 2 Bits breit
// All das hat in einer einzigen Byte-Variable Platz.
// die 3 verbleibenden Bits bleiben ungenutzt
} x;
</c>

Der Zugriff auf ein solches Feld erfolgt nun, wie beim Strukturzugriff bekannt,
über den Punkt- oder den Dereferenzierungs-Operator:

<c>
x.bStatus_1 = 1;
x.bStatus_2 = 0;
x.b2Bits = 3;
</c>

Bitfelder sparen Platz im RAM, zu Lasten von Platz im Flash, verschlechtern aber unter Umständen die Les- und Wartbarkeit des Codes. Anfängern wird deshalb geraten, ein "ganzes" Byte (uint8_t) zu nutzen, auch wenn nur ein Bitwert gespeichert werden soll.

= Grundsätzlicher Programmaufbau eines µC-Programms =

Wir unterscheiden zwischen 2 verschiedenen Methoden, um ein
Mikrocontroller-Programm zu schreiben, und zwar völlig unabhängig davon, in
welcher Programmiersprache das Programm geschrieben wird.

== Sequentieller Programmablauf ==

[[Image:Sequentielle Programme.gif|left]]
Bei dieser Programmiertechnik wird eine Endlosschleife programmiert, welche im
Wesentlichen immer den gleichen Aufbau hat. Es wird hier nach dem sogenannten EVA-Prinzip gehandelt. EVA steht für "Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe":
{{Absatz}}

== Interruptgesteuerter Programmablauf ==

[[Image:Interrupt Programme.gif|left]]
Bei dieser Methode werden beim Programmstart zuerst die gewünschten Interruptquellen aktiviert und dann in eine Endlosschleife gegangen, in welcher Dinge erledigt werden können, welche nicht zeitkritisch sind. Wenn ein Interrupt ausgelöst wird, so wird automatisch die zugeordnete Interruptfunktion ausgeführt.
{{Absatz}}

= Zugriff auf Register =

Die AVR-Controller verfügen über eine Vielzahl von Registern. Die meisten
davon sind sogenannte Schreib-/Leseregister. Das heißt, das Programm kann die
Inhalte der Register sowohl auslesen als auch beschreiben.

Register haben einen besonderen Stellenwert bei den AVR Controllern. Sie dienen dem Zugriff auf die Ports und die Schnittstellen des Controllers. Wir unterscheiden zwischen 8-Bit und 16-Bit Registern. Vorerst behandeln wir die 8-Bit Register.

Einzelne Register sind bei allen AVRs vorhanden, andere wiederum nur bei bestimmten Typen. So sind beispielsweise die Register, welche für den Zugriff auf den UART notwendig sind, selbstverständlich nur bei denjenigen Modellen vorhanden, welche über einen integrierten Hardware UART bzw. USART verfügen.

Die Namen der Register sind in den Headerdateien zu den entsprechenden AVR-Typen definiert. Dazu muss man den Namen der controllerspezifischen Headerdatei nicht kennen. Es reicht aus, die allgemeine Headerdatei ''avr/io.h'' einzubinden:

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

Ist im Makefile der MCU-Typ z. B. mit dem Inhalt atmega8 definiert (und wird somit per -mmcu=atmega8 an den Compiler übergeben), wird beim Einlesen der io.h-Datei implizit ("automatisch") auch die iom8.h-Datei mit den Register-Definitionen für den ATmega8 eingelesen.


Intern wird diese "Automatik" wie folgt realisiert: Der Controllertyp wird dem Compiler als Parameter übergeben (vgl. ''avr-gcc -c -mmcu=atmega16 [...]'' im Einführungsbeispiel). Wird ein Makefile nach der WinAVR/mfile-Vorlage verwendet, setzt man die Variable ''MCU'', der Inhalt dieser Variable wird dann an passender Stelle für die Compilerparameter verwendet. Der Compiler definiert intern eine dem mmcu-Parameter zugeordnete "Variable" (genauer: ein Makro) mit dem Namen des Controllers, vorangestelltem ''__AVR_'' und angehängten Unterstrichen (z. B. wird bei ''-mmcu=atmega16'' das Makro ''__AVR_ATmega16__'' definiert). Beim Einbinden der Header-Datei ''avr/io.h'' wird geprüft, ob das jeweilige Makro definiert ist und die zum Controller passende Definitionsdatei eingelesen. Zur Veranschaulichung einige Ausschnitte aus einem Makefile:

<pre>
[...]
# MCU Type ("name") setzen:
MCU = atmega16
[...]

[...]
## Verwendung des Inhalts von MCU (hier atmega16) fuer die
## Compiler- und Assembler-Parameter
ALL_CFLAGS = -mmcu=$(MCU) -I. $(CFLAGS) $(GENDEPFLAGS)
ALL_CPPFLAGS = -mmcu=$(MCU) -I. -x c++ $(CPPFLAGS) $(GENDEPFLAGS)
ALL_ASFLAGS = -mmcu=$(MCU) -I. -x assembler-with-cpp $(ASFLAGS)
[...]

[...]
## Aufruf des Compilers:
## mit den Parametern ($(ALL_CFLAGS) ist -mmcu=$(MCU)[...] = -mmcu=atmega16[...]
$(OBJDIR)/%.o : %.c
@echo
@echo $(MSG_COMPILING) $<
$(CC) -c $(ALL_CFLAGS) $< -o $@
[...]
</pre>

Da --mmcu=atmega16 übergeben wurde, wird __AVR_ATmega16__ definiert und kann in avr/io.h zur Fallunterscheidung genutzt werden:

<c>
// avr/io.h
// (bei WinAVR-Standardinstallation in C:\WinAVR\avr\include\avr)
[...]
#if defined (__AVR_AT94K__)
# include <avr/ioat94k.h>
// [...]
#elif defined (__AVR_ATmega16__)
// da __AVR_ATmega16__ definiert ist, wird avr/iom16.h eingebunden:
# include <avr/iom16.h>
// [...]
#else
# if !defined(__COMPILING_AVR_LIBC__)
# warning "device type not defined"
# endif
#endif
</c>

Die Beispiele in den folgenden Abschnitten demonstrieren den Zugriff auf Register anhand der Register für I/O-Ports (PORTx, DDRx, PINx), die Vorgehensweise ist jedoch für alle Register (z. B. die des UART, ADC, SPI) analog.

== Schreiben in Register ==

Zum Schreiben kann man Register einfach wie eine Variable setzen.<ref>In Quellcodes, die für ältere Versionen des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, erfolgt der Schreibzugriff über die Funktion outp(). Aktuelle Versionen des Compilers unterstützen den Zugriff nun direkt, outp() ist nicht mehr erforderlich.</ref>

Beispiel:

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

int main()
{
/* Setzt das Richtungsregister des Ports A auf 0xff
(alle Pins als Ausgang, vgl. Abschnitt Zugriff auf Ports): */
DDRA = 0xff;

/* Setzt PortA auf 0x03, Bit 0 und 1 "high", restliche "low": */
PORTA = 0x03;

// Setzen der Bits 0,1,2,3 und 4
// Binär 00011111 = Hexadezimal 1F
DDRB = 0x1F; /* direkte Zuweisung - unübersichtlich */

/* Ausführliche Schreibweise: identische Funktionalität, mehr Tipparbeit
aber übersichtlicher und selbsterklärend: */
DDRB = (1 << DDB0) | (1 << DDB1) | (1 << DDB2) | (1 << DDB3) | (1 << DDB4);

while (1);
}
</c>

Die ausführliche Schreibweise sollte bevorzugt verwendet werden, da dadurch die Zuweisungen selbsterklärend sind und somit der Code leichter nachvollzogen werden kann. Atmel verwendet sie auch bei Beispielen in Datenblätten und in den allermeisten Quellcodes zu Application-Notes. Mehr zu der Schreibweise mit "|" und "<<" findet man unter [[Bitmanipulation]].

Der gcc C-Compiler unterstützt ab Version 4.3.0 Konstanten im Binärformat, z. B. DDRB = 0b00011111. Diese Schreibweise ist jedoch nur in GNU-C verfügbar und nicht in ISO-C definiert. Man sollte sie daher nicht verwenden, wenn Code mit anderen ausgetauscht oder mit anderen Compilern bzw. älteren Versionen des gcc genutzt werden soll.

== Verändern von Registerinhalten ==

Einzelne Bits setzt und löscht man "Standard-C-konform" mittels logischer (Bit-) Operationen.

<c>
x |= (1 << Bitnummer); // Hiermit wird ein Bit in x gesetzt
x &= ~(1 << Bitnummer); // Hiermit wird ein Bit in x geloescht
</c>

Es wird jeweils nur der Zustand des angegebenen Bits geändert, der vorherige Zustand der anderen Bits bleibt erhalten.

Beispiel:
<c>
#include <avr/io.h>
...
#define MEINBIT 2
...
PORTA |= (1 << MEINBIT); /* setzt Bit 2 an PortA auf 1 */
PORTA &= ~(1 << MEINBIT); /* loescht Bit 2 an PortA */
</c>

Mit dieser Methode lassen sich auch mehrere Bits eines Registers gleichzeitig setzen und löschen.

Beispiel:
<c>
#include <avr/io.h>
...
DDRA &= ~( (1<<PA0) | (1<<PA3) ); /* PA0 und PA3 als Eingaenge */
PORTA |= (1<<PA0) | (1<<PA3); /* Interne Pull-Up fuer beide einschalten */
</c>

In Quellcodes, die für ältere Version den des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, werden einzelne Bits mittels der Funktionen sbi und cbi gesetzt bzw. gelöscht. Beide Funktionen sind nicht mehr erforderlich.

Siehe auch:
* [[Bitmanipulation]]
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Special Function Registers

== Lesen aus Registern ==

Zum Lesen kann man auf Register einfach wie auf eine Variable zugreifen. In Quellcodes, die für ältere Versionen des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, erfolgt der Lesezugriff über die Funktion inp(). Aktuelle Versionen des Compilers unterstützen den Zugriff nun direkt und inp() ist nicht mehr erforderlich.

Beispiel:

<c>
#include <avr/io.h>
#include <stdint.h>

uint8_t foo;

//...

int main(void)
{
/* kopiert den Status der Eingabepins an PortB
in die Variable foo: */
foo = PINB;
//...
}
</c>

Die Abfrage der Zustände von Bits erfolgt durch Einlesen des gesamten Registerinhalts und ausblenden der Bits deren Zustand nicht von Interesse ist. Einige Beispiele zum Prüfen ob Bits gesetzt oder gelöscht sind:

<c>
#define MEINBIT0 0
#define MEINBIT2 2

uint8_t i;

extern test1();

// Funkion test1 aufrufen, wenn Bit 0 in Register PINA gesetzt (1) ist
i = PINA; // Inhalt in Arbeitsvariable
i = i & 0x01; // alle Bits bis auf Bit 0 ausblenden (logisches und)
// falls das Bit gesetzt war, hat i den Inhalt 1
if ( i != 0 ) { // Ergebnis ungleich 0 (wahr)?
test1(); // dann muss Bit 0 in i gesetzt sein -> Funktion aufrufen
}
// verkürzt:
if ( ( PINA & 0x01 ) != 0 ) {
test1();
}
// nochmals verkürzt:
if ( PINA & 0x01 ) {
test1();
}
// mit definierter Bitnummer:
if ( PINA & ( 1 << MEINBIT0 ) ) {
test1();
}

// Funktion aufrufen, wenn Bit 0 und/oder Bit 2 gesetzt ist. (Bit 0 und 2 also Wert 5)
// (Bedenke: Bit 0 hat Wert 1, Bit 1 hat Wert 2 und Bit 2 hat Wert 4)
if ( PINA & 0x05 ) {
test1(); // Vergleich <> 0 (wahr), also mindestens eines der Bits gesetzt
}
// mit definierten Bitnummern:
if ( PINA & ( ( 1 << MEINBIT0 ) | ( 1 << MEINBIT2 ) ) ) {
test1();
}

// Funktion aufrufen, wenn Bit 0 und Bit 2 gesetzt sind
if ( ( PINA & 0x05 ) == 0x05 ) { // nur wahr, wenn beide Bits gesetzt
test1();
}

// Funktion test2() aufrufen, wenn Bit 0 gelöscht (0) ist
i = PINA; // einlesen in temporäre Variable
i = i & 0x01; // maskieren von Bit 0
if ( i == 0 ) { // Vergleich ist wahr, wenn Bit 0 nicht gesetzt ist
test2();
}
// analog mit not-Operator
if ( !i ) {
test2();
}
// nochmals verkürzt:
if ( !( PINA & 0x01 ) ) {
test2();
}
</c>

== Warten auf einen bestimmten Zustand ==

Es gibt in der Bibliothek avr-libc Funktionen, die warten, bis ein bestimmter Zustand eines Bits erreicht ist. Es ist allerdings normalerweise eine eher unschöne Programmiertechnik, da in diesen Funktionen "blockierend" gewartet wird. Der Programmablauf bleibt also an dieser Stelle stehen, bis das maskierte Ereignis erfolgt ist. Setzt man den [[Watchdog]] ein, muss man darauf achten, dass dieser auch noch getriggert wird (Zurücksetzen des Watchdogtimers).

Die Funktion '''loop_until_bit_is_set''' wartet in einer Schleife, bis das definierte Bit gesetzt ist. Wenn das Bit beim Aufruf der Funktion bereits gesetzt ist, wird die Funktion sofort wieder verlassen. Das niederwertigste Bit hat die Bitnummer 0.

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

/* Warten bis Bit Nr. 2 (das dritte Bit) in Register PINA gesetzt (1) ist */

#define WARTEPIN PINA
#define WARTEBIT PA2

// mit der avr-libc Funktion:
loop_until_bit_is_set(WARTEPIN, WARTEBIT);

// dito in "C-Standard":
// Durchlaufe die (leere) Schleife solange das WARTEBIT in Register WARTEPIN
// _nicht_ ungleich 0 (also 0) ist.
while ( !(WARTEPIN & (1 << WARTEBIT)) ) {}
...
</c>

Die Funktion '''loop_until_bit_is_clear''' wartet in einer Schleife, bis das definierte Bit gelöscht ist. Wenn das Bit beim Aufruf der Funktion bereits gelöscht ist, wird die Funktion sofort wieder verlassen.

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

/* Warten bis Bit Nr. 4 (das fuenfte Bit) in Register PINB geloescht (0) ist */
#define WARTEPIN PINB
#define WARTEBIT PB4

// avr-libc-Funktion:
loop_until_bit_is_clear(WARTEPIN, WARTEBIT);

// dito in "C-Standard":
// Durchlaufe die (leere) Schleife solange das WARTEBIT in Register WARTEPIN
// gesetzt (1) ist
while ( WARTEPIN & (1<<WARTEBIT) ) {}
...
</c>

Universeller und auch auf andere Plattformen besser übertragbar ist die Verwendung von C-Standardoperationen.

Siehe auch:
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Special Function Registers
* [[Bitmanipulation]]

== 16-Bit Register (ADC, ICR1, OCR1x, TCNT1, UBRR) ==

Einige der Portregister in den AVR-Controllern sind 16 Bit breit. Im Datenblatt sind diese Register üblicherweise mit dem Suffix "L" (Low-Byte) und "H" (High-Byte) versehen. Die avr-libc definiert zusätzlich die meisten dieser Variablen die Bezeichnung ohne "L" oder "H". Auf diese Register kann dann direkt zugegriffen werden. Die ist zum Beispiel der Fall für Register wie ADC oder TCNT1.
<c>
#include <avr/io.h>
...
uint16_t foo;

/* setzt die Wort-Variable foo auf den Wert der letzten AD-Wandlung */
foo = ADC;
</c>

Bei anderen Registern, wie zum Beispiel Baudraten-Register, liegen High- und Low-Teil nicht direkt nebeneinander im SFR-Bereich, so dass ein 16-Bit Zugriff nicht möglich ist und der Zugriff zusammengebastelt werden muss:

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

#ifndef F_CPU
#define F_CPU 3686400
#endif
#define UART_BAUD_RATE 9600

...
uint16_t baud = F_CPU / (UART_BAUD_RATE * 16L) -1;

UBRRH = (uint8_t) (baud >> 8);
UBRRL = (uint8_t) baud;
...
</c>

Bei einigen AVR-Typen wie ATmega8 oder ATmega16 teilen sich UBRRH und UCSRC die gleiche Speicher-Adresse. Damit der AVR trotzdem zwischen den beiden Registern unterscheiden kann, bestimmt das Bit7 (URSEL), welches Register tatsächlich beschrieben werden soll. ''1000 0011'' (0x83) adressiert demnach UCSRC und übergibt den Wert ''3'' und ''0000 0011'' (0x3) adressiert UBRRH und übergibt ebenfalls den Wert ''3''.

Speziell bei den 16-Bit-Timern und auch beim ADC ist es bei allen Zugriffen auf Datenregister erforderlich, dass diese Daten synchronisiert sind. Wenn z. B. bei einem 16-Bit-Timer das High-Byte des Zählregisters gelesen wurde und vor dem Lesezugriff auf das Low-Byte ein Überlauf des Low-Bytes stattfindet, erhält man einen völlig unsinnigen Wert. Auch die Compare-Register müssen synchron geschrieben werden, da es ansonsten zu unerwünschten Compare-Ereignissen kommen kann.

Beim ADC besteht das Problem darin, dass zwischen den Zugriffen auf die beiden Teilregister eine Wandlung beendet werden kann und der ADC ein neues Ergebnis in ADCL und ADCH schreiben will, wodurch High- und Low-Byte nicht zusammenpassen.

Um diese Datenmüllproduktion zu verhindern, gibt es in beiden Fällen eine Synchronisation, die jeweils durch den Zugriff auf das Low-Byte ausgelöst wird:
* Bei den Timer-Registern (das gilt für alle TCNT-, OCR- und ICR-Register bei den 16-Bit-Timern) wird bei einem ''Lesezugriff'' auf das Low-Byte automatisch das High-Byte in ein temporäres Register, das ansonsten nach außen nicht sichtbar ist, geschoben. Greift man nun ''anschließend'' auf das High-Byte zu, dann wird eben dieses temporäre Register gelesen.
* Bei einem ''Schreibzugriff'' auf eines der genannten Register wird das High-Byte in besagtem temporären Register zwischengespeichert und erst beim Schreiben des Low-Bytes werden ''beide'' gleichzeitig in das eigentliche Register übernommen.

Das bedeutet für die Reihenfolge:
* Lesezugriff: Erst Low-Byte, dann High-Byte
* Schreibzugriff: Erst High-Byte, dann Low-Byte

Des weiteren ist zu beachten, dass es für all diese 16-Bit-Register nur ein einziges temporäres Register gibt, so dass das Auftreten eines Interrupts, in dessen Handler ein solches Register manipuliert wird, bei einem durch ihn unterbrochenen Zugriff i.d.R. zu Datenmüll führt. 16-Bit-Zugriffe sind generell nicht atomar! Wenn mit Interrupts gearbeitet wird, kann es erforderlich sein, vor einem solchen Zugriff auf ein 16-Bit-Register die Interrupt-Bearbeitung zu deaktivieren.

Beim ADC-Datenregister ADCH/ADCL ist die Synchronisierung anders gelöst. Hier wird beim Lesezugriff (ADCH/ADCL sind logischerweise read-only) auf das Low-Byte ADCL beide Teilregister für Zugriffe seitens des ADC so lange gesperrt, bis das High-Byte ADCH ausgelesen wurde. Dadurch kann der ADC nach einem Zugriff auf ADCL keinen neuen Wert in ADCH/ADCL ablegen, bis ADCH gelesen wurde. Ergebnisse von Wandlungen, die zwischen einem Zugriff auf ADCL und ADCH beendet werden, gehen verloren!

Nach einem Zugriff auf ADCL muss grundsätzlich ADCH gelesen werden!

In beiden Fällen – also sowohl bei den Timern als auch beim ADC – werden vom C-Compiler 16-Bit Pseudo-Register zur Verfügung gestellt (z. B. TCNT1H/TCNT1L → TCNT1, ADCH/ADCL → ADC bzw. ADCW), bei deren Verwendung der Compiler automatisch die richtige Zugriffsreihenfolge regelt. In C-Programmen sollten grundsätzlich diese 16-Bit-Register verwendet werden! Sollte trotzdem ein Zugriff auf ein Teilregister erforderlich sein, sind obige Angaben zu berücksichtigen.

Es ist darauf zu achten, dass auch ein Zugriff auf die 16-Bit-Register vom Compiler in zwei 8-Bit-Zugriffe aufgeteilt wird und dementsprechend genauso nicht-atomar ist wie die Einzelzugriffe. Auch hier gilt, dass u.U. die Interrupt-Bearbeitung gesperrt werden muss, um Datenmüll zu vermeiden.

Beim ADC gibt es für den Fall, dass eine Auflösung von 8 Bit ausreicht, die Möglichkeit, das Ergebnis "linksbündig" in ADCH/ADCL auszurichten, so dass die relevanten 8 MSB in ADCH stehen. In diesem Fall muss bzw. sollte nur ADCH ausgelesen werden.

ADC und ADCW sind unterschiedliche Bezeichner für das selbe Registerpaar. Üblicherweise kann man in C-Programmen ADC verwenden, was analog zu den anderen 16-Bit-Registern benannt ist. ADCW (ADC Word) existiert nur deshalb, weil die Headerdateien auch für Assembler vorgesehen sind und es bereits einen Assembler-Befehl namens ''adc'' gibt.

Im Umgang mit 16-Bit Registern siehe auch:
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Related Pages/Frequently Asked Questions/Nr. 8
* Datenblatt Abschnitt ''Accessing 16-bit Registers''

== IO-Register als Parameter und Variablen ==

Um Register als Parameter für eigene Funktionen übergeben zu können, muss man sie als einen volatile uint8_t Pointer übergeben. Zum Beispiel:

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

uint8_t key_pressed (volatile uint8_t *inputreg, uint8_t inputbit)
{
static uint8_t last_state = 0;

if (last_state == (*inputreg & (1<<inputbit)))
return 0; /* keine Änderung */

/* Wenn doch, warten bis etwaiges Prellen vorbei ist: */
_delay_ms(20);

/* Zustand für nächsten Aufruf merken: */
last_state = *inputreg & (1<<inputbit);

/* und den entprellten Tastendruck zurückgeben: */
return *inputreg & (1<<inputbit);
}

/* Beispiel für einen Funktionsaufruf: */

void foo (void)
{
uint8_t i = key_pressed (&PINB, PB1);
}
</c>

Ein Aufruf der Funktion mit call by value würde Folgendes bewirken: Beim Funktionseintritt wird nur eine Kopie des momentanen Portzustandes angefertigt, die sich unabhängig vom tatsächlichen Zustand das Ports nicht mehr ändert, womit die Funktion wirkungslos wäre. Die Übergabe eines Zeigers wäre die Lösung, wenn der Compiler nicht optimieren würde. Denn dadurch wird im Programm nicht von der Hardware gelesen, sondern wieder nur von einem Abbild im Speicher. Das Ergebnis wäre das gleiche wie oben. Mit dem Schlüsselwort volatile sagt man nun dem Compiler, dass die entsprechende Variable entweder durch andere Softwareroutinen (Interrupts) oder durch die Hardware verändert werden kann.

= Zugriff auf IO-Ports =

Jeder AVR implementiert eine unterschiedliche Menge an GPIO-Registern
(GPIO - General Purpose Input/Output). Diese Register dienen dazu:
* einzustellen welche der Anschlüsse ("Beinchen") des Controllers als Ein- oder Ausgänge dienen
* bei Ausgängen deren Zustand festzulegen
* bei Eingängen deren Zustand zu erfassen

Mittels GPIO werden digitale Zustände gesetzt und erfasst, d.h. die Spannung an einem Ausgang wird ein- oder ausgeschaltet und an einem Eingang wird erfasst, ob die anliegende Spannung über oder unter einem bestimmten Schwellwert liegt. Im Datenblatt Abschnitt Electrical Characteristics/DC Characteristics finden sich die Spannungswerte (V_OL, V_OH für Ausgänge, V_IL, V_IH für Eingänge).

Die Verarbeitung von analogen Eingangswerten und die Ausgabe von Analogwerten wird in Kapitel [[AVR-GCC-Tutorial#Analoge_Ein-_und_Ausgabe|Analoge Ein- und Ausgabe]] behandelt.

Alle Ports der AVR-Controller werden über Register gesteuert. Dazu sind jedem Port 3 Register zugeordnet:

{| class="wikitable"
|-
! DDRx
| Datenrichtungsregister für Port'''x'''.
'''x''' entspricht '''A''', '''B''', ''' C''', '''D''' usw. (abhängig von der Anzahl der Ports des verwendeten AVR). Bit im Register gesetzt (1) für Ausgang, Bit gelöscht (0) für Eingang.
|-
! PINx
| Eingangsadresse für Port'''x'''.
Zustand des Ports. Die Bits in PINx entsprechen dem Zustand der als Eingang definierten Portpins. Bit 1 wenn Pin "high", Bit 0 wenn Portpin low.
|-
! PORTx
| Datenregister für Port'''x'''.
Dieses Register wird verwendet, um die Ausgänge eines Ports anzusteuern. Bei Pins, die mittels DDRx auf Eingang geschaltet wurden, können über PORTx
die internen Pull-Up Widerstände aktiviert oder deaktiviert werden (1 = aktiv).
|}

Die folgenden Beispiele gehen von einem AVR aus, der sowohl Port A als auch Port B besitzt. Sie müssen für andere AVRs (zum Beispiel ATmega8/48/88/168) entsprechend angepasst werden.

== Datenrichtung bestimmen ==

Zuerst muss die Datenrichtung der verwendeten Pins bestimmt werden. Um dies zu erreichen, wird das Datenrichtungsregister des entsprechenden Ports beschrieben.

Für jeden Pin, der als Ausgang verwendet werden soll, muss dabei das
entsprechende Bit auf dem Port gesetzt werden. Soll der Pin als Eingang
verwendet werden, muss das entsprechende Bit gelöscht sein.

Beispiel:
Angenommen am Port B sollen die Pins 0 bis 4 als Ausgänge definiert werden, die noch verbleibenden Pins 5 bis 7 sollen als Eingänge fungieren. Dazu ist es daher notwendig, im für das Port B zuständigen Datenrichtungsregister DDRB folgende Bitkonfiguration einzutragen

+---+---+---+---+---+---+---+---+
| 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
+---+---+---+---+---+---+---+---+
7 6 5 4 3 2 1 0

In C liest sich das dann so:

<c>
// in io.h wird u.a. DDRB definiert:
#include <avr/io.h>

int main()
{
// Setzen der Bits 0,1,2,3 und 4
// Binär 00011111 = Hexadezimal 1F
// direkte Zuweisung - standardkonform */
DDRB = 0x1F; /*

// übersichtliche Alternative - Binärschreibweise, aber kein ISO-C
DDRB = 0b00011111;

// Ausführliche Schreibweise: identische Funktionalität, mehr Tipparbeit
// aber übersichtlicher und selbsterklärend:
DDRB = (1 << DDB0) | (1 << DDB1) | (1 << DDB2) | (1 << DDB3) | (1 << DDB4);
</c>

Die Pins 5 bis 7 werden (da 0) als Eingänge geschaltet. Weitere Beispiele:

<c>
// Alle Pins des Ports B als Ausgang definieren:
DDRB = 0xff;
// Pin0 wieder auf Eingang und andere im ursprünglichen Zustand belassen:
DDRB &= ~(1 << DDB0);
// Pin 3 und 4 auf Eingang und andere im ursprünglichen Zustand belassen:
DDRB &= ~((1 << DDB3) | (1 << DDB4));
// Pin 0 und 3 wieder auf Ausgang und andere im ursprünglichen Zustand belassen:
DDRB |= (1 << DDB0) | (1 << DDB3);
// Alle Pins auf Eingang:
DDRB = 0x00;
</c>

== Vordefinierte Bitnummern für I/O-Register ==

Die Bitnummern (z. B. PCx, PINCx und DDCx für den Port C) sind in den io*.h-Dateien der avr-libc definiert und dienen lediglich der besseren Lesbarkeit. Man muss diese Definitionen nicht verwenden oder kann auch einfach "immer" PAx, PBx, PCx usw. nutzen, auch wenn der Zugriff auf Bits in DDRx- oder PINx-Registern erfolgt. Für den Compiler sind die Ausdrücke (1<<PC7), (1<<DDC7) und (1<<PINC7) identisch zu (1<<7) (genauer: der Präprozessor ersetzt die Ausdrücke (1<<PC7),... zu (1<<7)). Ein Ausschnitt der Definitionen für Port C eines ATmega32 aus der iom32.h-Datei zur Verdeutlichung (analog für die weiteren Ports):

<c>
...
/* PORTC */
#define PC7 7
#define PC6 6
#define PC5 5
#define PC4 4
#define PC3 3
#define PC2 2
#define PC1 1
#define PC0 0

/* DDRC */
#define DDC7 7
#define DDC6 6
#define DDC5 5
#define DDC4 4
#define DDC3 3
#define DDC2 2
#define DDC1 1
#define DDC0 0

/* PINC */
#define PINC7 7
#define PINC6 6
#define PINC5 5
#define PINC4 4
#define PINC3 3
#define PINC2 2
#define PINC1 1
#define PINC0 0
</c>

== Digitale Signale ==

Am einfachsten ist es, digitale Signale mit dem Mikrocontroller zu erfassen bzw. auszugeben.

== Ausgänge ==
Will man als Ausgang definierte Pins (entsprechende DDRx-Bits = 1) auf Logisch 1 setzen, setzt man die entsprechenden Bits im Portregister.

Mit dem Befehl
<c>
#include <avr/io.h>
...
PORTB = 0x04; /* besser PORTB=(1<<PB2) */

// übersichtliche Alternative - Binärschreibweise
PORTB = 0b00000100; /* direkte Zuweisung - übersichtlich */

</c>
wird also der Ausgang an Pin PB2 gesetzt (Beachte, dass die Bits immer ''von 0 an'' gezählt werden, das niederwertigste Bit ist also Bitnummer 0 und nicht etwa Bitnummer 1).

Man beachte, dass bei der Zuweisung mittels '''=''' immer alle Pins gleichzeitig angegeben werden. Man sollte also, wenn nur bestimmte Ausgänge geschaltet werden sollen, zuerst den aktuellen Wert des Ports einlesen und das Bit des gewünschten Ports in diesen Wert einfließen lassen. Will man also nur den dritten Pin (Bit Nr. 2) an Port B auf "high" setzen und den Status der anderen Ausgänge unverändert lassen, nutze man diese Form:

<c>
#include <avr/io.h>
...
PORTB = PORTB | 0x04; /* besser: PORTB = PORTB | ( 1<<PB2 ) */
/* vereinfacht durch Nutzung des |= Operators : */
PORTB |= (1<<PB2);

/* auch mehrere "gleichzeitig": */
PORTB |= (1<<PB4) | (1<<PB5); /* Pins PB4 und PB5 "high" */
</c>

"Ausschalten", also Ausgänge auf "low" setzen, erfolgt analog:

<c>
#include <avr/io.h>
...
PORTB &= ~(1<<PB2); /* löscht Bit 2 in PORTB und setzt damit Pin PB2 auf low */
PORTB &= ~( (1<<PB4) | (1<<PB5) ); /* Pin PB4 und Pin PB5 "low" */
</c>
Siehe auch [[Bitmanipulation]]

In Quellcodes, die für ältere Version den des avr-gcc/der avr-libc entwickelt wurden, werden einzelne Bits mittels der Funktionen sbi und cbi gesetzt bzw. gelöscht. Beide Funktionen sind in aktuellen Versionen der avr-libc nicht mehr enthalten und auch nicht mehr erforderlich.

''Falls der Anfangszustand von Ausgängen kritisch ist, muss die Reihenfolge beachtet werden, mit der die Datenrichtung (DDRx) eingestellt und der Ausgabewert (PORTx) gesetzt wird:''

Für Ausgangspins, die mit Anfangswert "high" initialisiert werden sollen:
* zuerst die Bits im PORTx-Register setzen
* anschließend die Datenrichtung auf Ausgang stellen

Daraus ergibt sich die Abfolge für einen Pin, der bisher als Eingang mit abgeschaltetem Pull-Up konfiguriert war:
* setze PORTx: interner Pull-Up aktiv
* setze DDRx: Ausgang ("high")

Bei der Reihenfolge erst DDRx und dann PORTx kann es zu einem kurzen "low-Puls" kommen, der auch externe Pull-Up-Widerstände "überstimmt". Die (ungünstige) Abfolge: Eingang -> setze DDRx: Ausgang (auf "low", da PORTx nach Reset 0) -> setze PORTx: Ausgang auf high. Vergleiche dazu auch das Datenblatt Abschnitt ''Configuring the Pin''.

== Eingänge (Wie kommen Signale in den µC) ==

Die digitalen Eingangssignale können auf verschiedene Arten zu unserer Logik gelangen.

=== Signalkopplung ===

Am einfachsten ist es, wenn die Signale direkt aus einer anderen digitalen Schaltung übernommen werden können. Hat der Ausgang der entsprechenden Schaltung TTL-Pegel dann können wir sogar direkt den Ausgang der Schaltung mit einem Eingangspin von unserem Controller verbinden.

Hat der Ausgang der anderen Schaltung keinen TTL-Pegel so müssen wir den Pegel über entsprechende Hardware (z. B. Optokoppler, [[Widerstand#Spannungsteiler|Spannungsteiler]], "Levelshifter" aka [[Pegelwandler]]) anpassen.

Die Masse der beiden Schaltungen muss selbstverständlich miteinander verbunden werden. Der Software selber ist es natürlich letztendlich egal, wie das Signal eingespeist wird. Wir können ja ohnehin lediglich prüfen, ob an einem Pin unseres Controllers eine logische 1 (Spannung größer ca. 0,7*Vcc) oder eine logische 0 (Spannung kleiner ca. 0,2*Vcc) anliegt. Detaillierte Informationen darüber, ab welcher Spannung ein Eingang als 0 ("low") bzw. 1 ("high") erkannt wird, liefert die Tabelle DC Characteristics im Datenblatt des genutzten Controllers.

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''Spannungstabelle''' (ca. Grenzwerte)
|
! Low || High
|-
! bei 5 V
| 1 V || 3,5 V
|-
! bei 3,3 V
| 0,66 V || 2,31 V
|-
! bei 1,8 V
| 0,36 V || 1,26 V
|}

Die Abfrage der Zustände der Portpins erfolgt direkt über den Registernamen.

{{Warnung|Dabei ist wichtig, zur Abfrage der Eingänge ''nicht'' etwa Portregister '''PORTx''' zu verwenden, sondern Eingangsregister '''PINx'''. Ansonsten liest man nicht den Zustand der Eingänge, sondern den Status der internen Pull-Up-Widerstände. Die Abfrage der Pinzustände über PORTx statt PINx ist ein häufiger Fehler beim AVR-"Erstkontakt".}}

Will man also die aktuellen Signalzustände von Port D abfragen und in eine Variable namens bPortD abspeichern, schreibt man folgende Befehlszeilen:

<c>
#include <avr/io.h>
#include <stdint.h>
...
uint8_t bPortD;
...
bPortD = PIND;
...
</c>

Mit den C-Bitoperationen kann man den Status der Bits abfragen.

<c>
#include <avr/io.h>
...
/* Fuehre Aktion aus, wenn Bit Nr. 1 (das "zweite" Bit) in PINC gesetzt (1) ist */
if ( PINC & (1<<PINC1) ) {
/* Aktion */
}

/* Fuehre Aktion aus, wenn Bit Nr. 2 (das "dritte" Bit) in PINB geloescht (0) ist */
if ( !(PINB & (1<<PINB2)) ) {
/* Aktion */
}
...
</c>
Siehe auch [[Bitmanipulation#Bits_prüfen]]

=== Interne Pull-Up Widerstände ===

Portpins für Ein- und Ausgänge (GPIO) eines AVR verfügen über zuschaltbare interne Pull-Up Widerstände (nominal mehrere 10kOhm, z. B. ATmega16 20-50kOhm). Diese können in vielen Fällen statt externer Widerstände genutzt werden.

Die internen Pull-Up Widerstände von Vcc zu den einzelnen Portpins werden über das Register ''' PORTx''' aktiviert bzw. deaktiviert, wenn ein Pin als ''' Eingang''' geschaltet ist.

Wird der Wert des entsprechenden Portpins auf 1 gesetzt, so ist der Pull-Up Widerstand aktiviert. Bei einem Wert von 0 ist der Pull-Up Widerstand nicht aktiv. Man sollte jeweils entweder den internen oder einen externen Pull-Up Widerstand verwenden, aber nicht beide zusammen.

Im Beispiel werden alle Pins des Ports D als Eingänge geschaltet und alle Pull-Up Widerstände aktiviert. Weiterhin wird Pin PC7 als Eingang geschaltet und dessen interner Pull-Up Widerstand aktiviert, ohne die Einstellungen für die anderen Portpins (PC0-PC6) zu verändern.

<c>
#include <avr/io.h>
...
DDRD = 0x00; /* alle Pins von Port D als Eingang */
PORTD = 0xff; /* interne Pull-Ups an allen Port-Pins aktivieren */
...
DDRC &= ~(1<<DDRC7); /* Pin PC7 als Eingang */
PORTC |= (1<<PC7); /* internen Pull-Up an PC7 aktivieren */
</c>

=== Tasten und Schalter ===

Der Anschluss mechanischer Kontakte an den Mikrocontroller, ist zwischen zwei unterschiedliche Methoden zu unterscheiden: ''Active Low'' und ''Active High''.

<gallery widths="300" heights="300" caption="Anschluss mechanischer Kontakte an einen µC">
Image:Active Low.gif|'''Active Low:''' Bei dieser Methode wird der Kontakt zwischen den Eingangspin des Controllers und Masse geschaltet. Damit bei offenem Schalter der Controller kein undefiniertes Signal bekommt, wird zwischen die Versorgungsspannung und den Eingangspin ein sogenannter '''Pull-Up''' Widerstand geschaltet. Dieser dient dazu, den Pegel bei geöffnetem Schalter auf logisch 1 zu ziehen.
Image:Active High.gif|'''Active High:''' Hier wird der Kontakt zwischen die Versorgungsspannung und den Eingangspin geschaltet. Damit bei offener Schalterstellung kein undefiniertes Signal am Controller ansteht, wird zwischen den Eingangspin und die Masse ein '''Pull-Down''' Widerstand geschaltet. Dieser dient dazu, den Pegel bei geöffneter Schalterstellung auf logisch 0 zu halten.
</gallery>

Der Widerstandswert von Pull-Up- und Pull-Down-Widerständen ist an sich nicht kritisch. Wird er allerdings zu hoch gewählt, ist die Wirkung eventuell nicht gegeben. Als üblicher Wert haben sich 10 kOhm eingebürgert. Die AVRs verfügen an den meisten Pins über zuschaltbare interne Pull-Up Widerstände (vgl. Abschnitt [[AVR-GCC-Tutorial#Interne Pull-Up Widerstände|Interne Pull-Up Widerstände]]), welche insbesondere wie hier bei Tastern und ähnlichen Bauteilen (z. B. Drehgebern) statt externer Bauteile verwendet werden können. Interne Pull-Down-Widerstand sind nicht verfügbar und müssen daher in Form zusätzlicher Bauteile in die Schaltung eingefügt werden.

==== (Tasten-)Entprellung ====

Siehe: ''[[Entprellung#Warteschleifen-Verfahren|Entprellung: Warteschleifen-Verfahren]]

== Speichern und Übergeben von Port und Pinnummer ==

Wenn man Port und Pinnummer nicht fest verdrahten kann, sondern z.B. in einem Feld speichern will oder an eine Funktion übergeben will, kann man ausnutzen, wie PORTA, DDRA, PINA und die anderen definiert sind.
Das ist beispielsweise für PORTA auf einem atmega32 (vereinfacht) so gelöst:
<c>
#define PORTA (*(volatile uint8_t*)0x1B)
</c>
PORTA ist also in diesem Fall das vorzeichenlose Byte an der Adresse 0x1B im RAM. Die anderen Register werden ähnlich auf andere Adressen gelegt.
Von so einer Konstruktion kann man in C problemlos die Adresse bilden (&) und den so erhaltenen Pointer speichern, an eine Funktion übergeben oder was auch immer.
Beispiel:
<c>
// Speichert ein Paar von Port und Pinnummer
typedef struct
{
volatile uint8_t *p_port;
uint8_t pin;
} port_pin_paar_t;

// Davon ein ganzes Feld:
port_pin_paar_t pins[] = { { &PORTB, 1 },
{ &PORTB, 2 },
{ &PORTD, 4 },
// ...
};

...
// Zugriff: Setzen von PORTD Pin 4
setze_ein_Bit( &pins[2] );
...

void setze_ein_Bit( const port_pin_paar_t *p_port_pin_paar )
{
// Bit setzen:
*(p_port_pin_paar->p_port) |= (1<<p_port_pin_paar->pin);
}
</c>

=== Ablegen im Flash ===

Wenn es im RAM eng wird und sich das obige Feld pins[] nicht dynamisch ändert, kann man es auch im Flash ablegen und bei Bedarf ein einzelnes Element hervorholen.

<c>
// Speichert ein Paar von Port und Pinnummer
typedef struct
{
volatile uint8_t *p_port;
uint8_t pin;
} port_pin_paar_t;

// Davon ein ganzes Feld im Flash:
extern const testpin_t pins[] PROGMEM;
const port_pin_paar_t pins[] = { { &PORTB, 1 },
{ &PORTB, 2 },
{ &PORTD, 4 },
// ...
};

...

// Zugriff: Setzen von PORTD Pin 4
port_pin_paar_t tmp_pin_paar; // Für Kopie im RAM
memcpy_P( tmp_pin_paar, &pins[2], sizeof(tmp_pin_paar) ); // aus Flash ins RAM
*(tmp_pin_paar.p_port) |= (1<<tmp_pin_paar.pin); // PORTD Pin 4 direkt setzen
setze_ein_Bit( &tmp_pin_paar ); // oder über die obige Funktion setzen lassen
</c>

= Analoge Ein- und Ausgabe =

Analoge Eingangswerte werden in der Regel über den AVR Analog-Digital-Converter (AD-Wandler, ADC) eingelesen, der in vielen Typen verfügbar ist (typisch 10bit Auflösung). Durch diesen werden analoge Signale (Spannungen) in digitale Zahlenwerte gewandelt. Bei AVRs, die über keinen internen AD-Wandler verfügen (z. B. ATmega162), kann durch externe Beschaltung (R/C-Netzwerk und "Zeitmessung") die Funktion des AD-Wandlers "emuliert" werden.

Es gibt innerhalb der ATMega- und ATTiny-AVR Reihe keine Typen mit eingebautem Digital-Analog-Konverter (DAC) - diese Funktion ist erst ab der XMEGA-Reihe der AVR-Familie verfügbar, die aber wegen ihrer vielen Unterschiede im Umfang dieses Tutorials nicht behandelt wird.
Die Umsetzung zu einer analogen Spannung muss daher durch externe Komponenten vorgenommen werden. Das kann z. B. durch PWM und deren Filterung zu (fast) DC, oder einem sogenannten R2R-Netzwerk erfolgen.

Unabhängig davon besteht natürlich immer die Möglichkeit, spezielle Bausteine zur Analog-Digital- bzw. Digital-Analog-Wandlung zu nutzen und diese über eine digitale Schnittstelle (z.b. SPI oder I2C) mit einem AVR anzusteuern.

== AC (Analog Comparator) ==

Der Comparator vergleicht 2 Spannungen an den Pins AIN0 und AIN1 und gibt einen Status aus welche der beiden Spannungen größer ist. AIN0 Dient dabei als Referenzspannung (Sollwert) und AIN1 als Vergleichsspannung (Istwert). Als Referenzspannung kann auch alternativ eine interne Referenzspannung ausgewählt werden.

Liegt die Vergleichsspannung (IST) unter der der Referenzspannung (SOLL) gibt der Comperator eine logische 1 aus. Ist die Vergleichsspannung hingegen größer als die Referenzspannung wird eine logische 0 ausgegeben.

Der Comparator arbeitet völlig autark bzw. parallel zum Prozessor. Für mobile Anwendungen empfiehlt es sich ihn abzuschalten sofern er nicht benötigt wird, da er ansonsten Strom benötigt. Der Comparator kann Interruptgesteuert abgefragt werden oder im Pollingbetrieb.

Das Steuer- bzw. Statusregister ist wie folgt aufgebaut:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''ACSR - Analog Comparator Status Register'''
|-
! Bit
| 7|| 6|| 5|| 4|| 3|| 2|| 1|| 0
|-
! Name
| '''ACD'''|| '''ACBG'''|| '''ACO'''|| '''ACI'''|| '''ACIE'''|| '''ACIC'''|| '''ACIS1'''|| '''ACIS0'''
|-
! R/W
| R/W|| R/W|| R|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W
|-
! Initialwert
| 0|| 0|| n/a|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0
|}

;Bit 7 ACD: Analog Comparator Disable: 0 = Comparator ein, 1 = Comparator aus. Wird dieses Bit geändert kann ein Interrupt ausgelöst werden. Soll dies vermieden werden muss das Bit 3 ACIE ggf. abgeschaltet werden.

;Bit 6 ACBG: Analog Comparator Bandgap Select: Ermöglicht das umschalten zwischen interner und externer Referenzspannung. 1 = interne (~1,3 Volt), 0 = externe Referenzspannung (an Pin AIN0)

;Bit 5 ACO: Analog Comparator Output: Hier wird das Ergebnis des Vergleichs angezeigt. Es liegt typischerweise nach 1-2 Taktzyklen vor.
:: IST < SOLL → 1
:: IST > SOLL → 0

;Bit 4 ACI: Analog Comparator Interrupt Flag: Dieses Bit wird von der Hardware gesetzt, wenn ein Interruptereignis, das in Bit 0 und 1 definiert ist, eintritt. Dieses Bit löst noch keinen Interrupt aus! Die Interruptroutine wird nur dann ausgeführt, wenn das Bit 3 ACIE gesetzt ist und global Interrupts erlaubt sind (I-Bit in SREG gesetzt). Das Bit 4 ACI wird wieder gelöscht, wenn die Interruptroutine ausgeführt wurde oder wenn es manuell auf 1! gesetzt wird. Das Bit kann für Abfragen genutzt werden, steuert oder konfiguriert aber nicht den Comparator.

;Bit 3 ACIE: Analog Comparator Interrupt Enable: Ist das Bit auf 1 gesetzt, wird immer ein Interrupt ausgelöst, wenn das Ereignis das in Bit 1 und 0 definiert ist, eintritt.

;Bit 2 ACIC: Analog Comparator Input Capture Enable: Wird das Bit gesetzt, wird der Comparatorausgang intern mit dem Counter 1 verbunden. Es könnten damit z.b. die Anzahl der Vergleiche im Counter1 gezählt werden. Um den Comparator an den Timer1 Input Capture Interrupt zu verbinden, muss im Timerregister das TICIE1 Bit auf 1 gesetzt werden. Der Trigger wird immer dann ausgelöst, wenn das in Bit 1 und 0 definierte Ereignis eintritt.

;Bit 1,0 ACIS1,ACIS0: Analog Comparator Interrupt select: Hier wird definiert, welche Ereignisse einen Interrupt auslösen sollen:
:* 00 = Interrupt auslösen bei jedem Flankenwechsel
:* 10 = Interrupt auslösen bei fallender Flanke
:* 11 = Interrupt auslösen bei steigender Flanke

Werden diese Bit geändert, kann ein Interrupt ausgelöst werden. Soll dies vermieden werden, muss das Bit 3 gelöscht werden.

== ADC (Analog Digital Converter) ==

Der Analog-Digital-Konverter (ADC) wandelt analoge Signale in digitale Werte um, welche vom Controller interpretiert werden können. Einige AVR-Typen haben bereits einen mehrkanaligen Analog-Digital-Konverter eingebaut. Die Feinheit, mit welcher ein analoges Signal aufgelöst werden kann, wird durch die Auflösung des ADC, d.h. durch die Anzahl der verwendeten Bits angegeben. So sind derzeit bspw. 8-Bit- oder 10-Bit-ADC im Einsatz. ADCs, die in AVRs enthalten sind, haben zur Zeit eine maximale Auflösung von 10-Bit.

Ein ADC mit 8 Bit Auflösung kann somit das analoge Signal in Abstufungen von 1/256 des Maximalwertes digitalisieren. Wenn wir nun mal annehmen, wir hätten eine Eingangspannung zwischen 0 und 5 Volt, eine Referenzspannung von 5 V und eine Auflösung von 3 Bit, dann könnten
Intervalle mit den Grenzen 0 V, 0.625 V, 1.25 V, 1.875 V, 2.5 V, 3.125 V, 3.75 V, 4.375 V, 5 V entsprechend folgender Tabelle unterschieden werden:

::{| class="wikitable" style="text-align:center"
! Eingangsspannung am ADC / V || Entsprechender Messwert
|-
| 0 – 0.625 || 0
|-
| 0.625 – 1.25 || 1
|-
| 1.25 – 1.875 || 2
|-
| 1.875 – 2.5 || 3
|-
| 2.5 – 3.125 || 4
|-
| 3.125 – 3.75 || 5
|-
| 3.75 – 4.375 || 6
|-
| 4.375 – 5 || 7
|}

Die Angaben sind natürlich nur ungefähr. Je höher nun die Auflösung des Analog-Digital-Konverters ist, also, je mehr Bits er hat, desto genauer kann der jeweilige Wert erfasst werden.

=== Der interne ADC im AVR ===

Oft sind auch mehrere Kanäle verfügbar. Kanäle heißt in diesem Zusammenhang, dass zwar bis zu zehn analoge Eingänge am AVR vorhanden sind, aber nur ein "echter" Analog-Digital-Wandler zur Verfügung steht. Vor der eigentlichen Messung ist also festzulegen, welcher Kanal ("Pin") mit dem Wandler verbunden und gemessen wird.

Die Umwandlung innerhalb des AVR basiert auf der schrittweisen Näherung. Beim AVR müssen die Pins '''AGND''' und '''AVCC''' beschaltet werden. Für genaue Messungen sollte AVCC über ein L-C Netzwerk mit VCC verbunden werden, um Spannungsspitzen und -einbrüche vom Analog-Digital-Wandler fernzuhalten. Im Datenblatt findet sich dazu eine Schaltung, die 10uH und 100nF vorsieht.

Das Ergebnis der Analog-Digital-Wandlung wird auf eine Referenzspannung bezogen. Aktuelle AVRs bieten drei Möglichkeiten zur Wahl dieser Spannung:

* Eine externe Referenzspannung von maximal '''Vcc''' am Anschlusspin '''AREF'''. Die minimale (externe) Referenzspannung darf jedoch nicht beliebig niedrig sein, vgl. dazu das (aktuellste) Datenblatt des verwendeten Controllers.

* Verfügt der AVR über eine interne Referenzspannung, kann diese genutzt werden. Alle aktuellen AVRs mit internem AD-Wandler sollten damit ausgestattet sein (vgl. Datenblatt: 2,56V oder 1,1V je nach Typ). Das Datenblatt gibt auch über die Genauigkeit dieser Spannung Auskunft.

* Es kann die Spannung AVcc als Referenzspannung herangezogen werden

Bei Nutzung von AVcc oder der internen Referenz wird empfohlen, einen Kondensator zwischen dem AREF-Pin und GND anzuordnen. Die Festlegung, welche Spannungsreferenz genutzt wird, erfolgt z. B. beim ATmega16 mit den Bits REFS1/REFS0 im ADMUX-Register. Die zu messende Spannung muss im Bereich zwischen '''AGND''' und '''AREF''' (egal ob intern oder extern) liegen.

Der '''ADC''' kann in zwei verschiedenen Betriebsarten verwendet werden:

; Einfache Wandlung (Single Conversion) : In dieser Betriebsart wird der Wandler bei Bedarf vom Programm angestoßen für jeweils eine Messung.

; Frei laufend (Free Running) : In dieser Betriebsart erfasst der Wandler permanent die anliegende Spannung und schreibt diese in das '''ADC Data Register'''.

==== Die Register des ADC ====

Der '''ADC''' verfügt über eigene Register. Im Folgenden die Registerbeschreibung eines ATMega16, welcher über 8 ADC-Kanäle verfügt. Die Register unterscheiden sich jedoch nicht erheblich von denen anderer AVRs (vgl. Datenblatt).

{| class="wikitable"
|-
| '''ADCSRA   '''
| '''ADC''' '''C'''ontrol and '''S'''tatus '''R'''egister A. 
In diesem Register stellen wir ein, wie wir den '''ADC''' verwenden möchten. 
Das Register ist wie folgt aufgebaut:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7|| 6|| 5|| 4|| 3|| 2|| 1|| 0
|-
! Name
| '''ADEN'''|| '''ADSC'''|| '''ADFR'''|| '''ADIF'''|| '''ADIE'''|| '''ADPS2'''|| '''ADPS1'''|| '''ADPS0'''
|-
! R/W
| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W
|-
! Initialwert
| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0
|}

'''ADEN''' ('''AD'''C '''En'''able)
:Dieses Bit muss gesetzt werden, um den ''' ADC''' überhaupt zu aktivieren. Wenn das Bit nicht gesetzt ist, können die Pins wie normale I/O-Pins verwendet werden.

'''ADSC''' ('''AD'''C '''S'''tart '''C'''onversion)
:Mit diesem Bit wird ein Messvorgang gestartet. In der frei laufenden Betriebsart muss das Bit gesetzt werden, um die kontinuierliche Messung zu aktivieren.
:Wenn das Bit nach dem Setzen des '''ADEN'''-Bits zum ersten Mal gesetzt wird, führt der Controller zuerst eine zusätzliche Wandlung und erst dann die eigentliche Wandlung aus. Diese zusätzliche Wandlung wird zu Initialisierungszwecken durchgeführt.
:Das Bit bleibt nun so lange auf 1, bis die Umwandlung abgeschlossen ist, im Initialisierungsfall entsprechend bis die zweite Umwandlung erfolgt ist und geht danach auf 0.

'''ADFR''' ('''AD'''C '''F'''ree '''R'''un select)
:Mit diesem Bit wird die Betriebsart eingestellt.
:Ist das Bit auf 1 gesetzt arbeitet der ADC im "Free Running"-Modus. Dabei wird das Datenregister permanent aktualisiert. Ist das Bit hingegen auf 0 gesetzt, macht der ADC nur eine "Single Conversion".

'''ADIF''' ('''AD'''C '''I'''nterrupt '''F'''lag)
:Dieses Bit wird vom ''' ADC''' gesetzt, sobald eine Umwandlung erfolgt ist und das '''ADC Data Register''' aktualisiert wurde. Das Bit wird bei lesendem Zugriff auf '''ADC(L,H)''' automatisch (d.h. durch die Hardware) gelöscht.
:Wenn das '''ADIE''' Bit sowie das '''I-Bit''' im AVR '''Statusregister''' gesetzt ist, wird der '''ADC Interrupt''' ausgelöst und die Interrupt-Behandlungsroutine aufgerufen.
:Das Bit wird automatisch gelöscht, wenn die Interrupt-Behandlungsroutine aufgerufen wird. Es kann jedoch auch gelöscht werden, indem eine logische '''1'''! in das Register geschrieben wird.

'''ADIE''' ('''AD'''C '''I'''nterrupt '''E'''nable)
:Wenn dieses Bit gesetzt ist und ebenso das ''' I-Bit''' im Statusregister '''SREG''', dann wird der ''' ADC-Interrupt''' aktiviert.

'''ADPS2...ADPS0''' ('''AD'''C '''P'''rescaler '''S'''elect Bits)
:Diese Bits bestimmen den Teilungsfaktor zwischen der Taktfrequenz und dem Eingangstakt des '''ADC'''.
:Der '''ADC''' benötigt einen eigenen Takt, welchen er sich selber aus der CPU-Taktfreqenz erzeugt. Der '''ADC'''-Takt sollte zwischen 50 und 200kHz liegen.
:Der Vorteiler muss also so eingestellt werden, dass CPU-Taktfrequenz dividiert durch den Teilungsfaktor einen Wert im Bereich '''(50-200)kHz''' ergibt.
:Bei einer CPU-Taktfrequenz von 4MHz beispielsweise rechnen wir

:<math>
\begin{matrix}
TF_{min}=\frac{CLK}{200\,\mathrm{kHz}}=\frac{4000000}{200000}=\mathbf{20}
\\
\\
TF_{max}=\frac{CLK}{50\,\mathrm{kHz}}=\frac{4000000}{50000}=\mathbf{80}
\end{matrix}
</math>

:Somit kann hier der Teilungsfaktor 32 oder 64 verwendet werden. Im Interesse der schnelleren Wandlungszeit werden wir hier den Faktor 32 einstellen.

:{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! '''ADPS2'''|| '''ADPS1'''|| '''ADPS0'''|| '''Teilungsfaktor'''
|-
| 0|| 0|| 0|| 2
|-
| 0|| 0|| 1|| 2
|-
| 0|| 1|| 0|| 4
|-
| 0|| 1|| 1|| 8
|-
| 1|| 0|| 0|| 16
|-
| 1|| 0|| 1|| 32
|-
| 1|| 1|| 0|| 64
|-
| 1|| 1|| 1|| 128
|}

|-
| '''ADCL''' 
'''ADCH'''
| '''ADC ''' Data Register 
Wenn eine Umwandlung abgeschlossen ist, befindet sich der gemessene Wert in
diesen beiden Registern. Von '''ADCH''' werden nur die beiden niederwertigsten Bits verwendet. Es müssen immer beide Register ausgelesen werden, und zwar immer '''in der Reihenfolge: ADCL, ADCH'''.
Der effektive Messwert ergibt sich dann zu:

<c>
x = ADCL; // mit uint16_t x
x += (ADCH<<8); // in zwei Zeilen (LSB/MSB-Reihenfolge und
// C-Operatorpriorität sichergestellt)
</c>

oder

<c>
x = ADCW; // je nach AVR auch x = ADC (siehe avr/ioxxx.h)
</c>

|-
| '''ADMUX  '''
| '''AD'''C '''Mu'''ltiple'''x'''er Select Register 
Mit diesem Register wird der zu messende Kanal ausgewählt. Beim 90S8535
kann jeder Pin von Port A als '''ADC'''-Eingang verwendet werden (=8 Kanäle). 
Das Register ist wie folgt aufgebaut:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7|| 6|| 5|| 4|| 3|| 2|| 1|| 0
|-
! Name
| '''REFS1'''|| '''REFS0'''|| '''ADLAR'''|| '''MUX4'''|| '''MUX3'''|| '''MUX2'''|| '''MUX1'''|| '''MUX0'''
|-
! '''R/W'''
| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W|| R/W
|-
! Initialwert
| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0|| 0
|}

'''REFS1...REFS0''' ('''Ref'''erence'''S'''election Bits)
:Mit diesen Bits kann die Referenzspannung eingestellt werden. Bei der Umstellung sind Wartezeiten zu beachten, bis die ADC-Hardware einsatzfähig ist (Datenblatt und [http://www.mikrocontroller.net/topic/165513]):

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! '''REFS1'''|| '''REFS0'''|| '''Referenzspanung'''
|-
| 0|| 0|| Externes AREF
|-
| 0|| 1|| AVCC als Referenz
|-
| 1|| 0|| Reserviert
|-
| 1|| 1|| Interne 2,56 Volt
|}

'''ADLAR''' ('''ADC ''' '''L'''eft '''A'''djust '''R'''esult)
:Das ADLAR Bit verändert das Aussehen des Ergebnisses der AD-Wandlung. Bei einer logischen 1 wird das Ergebnis linksbündig ausgegeben, bei einer 0 rechtsbündig. Eine Änderung in diesem Bit beeinflusst das Ergebnis sofort, ganz egal ob bereits eine Wandlung läuft.

'''MUX4...MUX0'''
:Mit diesen 5 Bits wird der zu messende Kanal bestimmt. Wenn man einen einfachen 1-kanaligen ADC verwendet wird einfach die entsprechende Pinnummer des Ports in die Bits 0...2 eingeschrieben.
:Wenn das Register beschrieben wird, während dem eine Umwandlung läuft, so wird zuerst die aktuelle Umwandlung auf dem bisherigen Kanal beendet. Dies ist vor allem beim frei laufenden Betrieb zu berücksichtigen.

:Eine Empfehlung ist deswegen diese, dass der frei laufende Betrieb nur bei einem einzelnen zu verwendenden Analogeingang verwendet werden sollte, wenn man sich Probleme bei der Umschalterei ersparen will.
|}

==== Nutzung des ADC ====

Um den ''' ADC''' zu aktivieren, müssen wir das '''ADEN'''-Bit im '''ADCSR'''-Register setzen. Im gleichen Schritt legen wir auch die Betriebsart fest.

Ein kleines Beispiel für den "single conversion"-Mode bei einem ATmega169 und Nutzung der internen Referenzspannung (beim '169 1,1V bei anderen AVRs auch 2,56V). D.h. das Eingangssignal darf diese Spannung nicht überschreiten, gegebenenfalls muss es mit einem [[Spannungsteiler]] verringert werden. Das Ergebnis der Routine ist der ADC-Wert, also 0 für 0-Volt und 1023 für V_ref-Volt.

In der praktischen Anwendung wird man zum Programmstart den ADC erst einmal grundlegend konfigurieren und dann auf verschiedenen Kanälen messen. Diese beiden Dinge sollte man meist trennen, denn das Einschalten des ADC und vor allem der Referenzspannung dauert ein paar Dutzend Mikrosekunden. Außerdem ist das erste Ergebnis nach dem Einschalten ungültig und muss verworfen werden.

<c>

/* ADC initialisieren */
void ADC_Init(void) {

uint16_t result;

// ADMUX = (0<<REFS1) | (1<<REFS0); // AVcc als Referenz benutzen
ADMUX = (1<<REFS1) | (1<<REFS0); // interne Referenzspannung nutzen
ADCSRA = (1<<ADPS1) | (1<<ADPS0); // Frequenzvorteiler
ADCSRA |= (1<<ADEN); // ADC aktivieren

/* nach Aktivieren des ADC wird ein "Dummy-Readout" empfohlen, man liest
also einen Wert und verwirft diesen, um den ADC "warmlaufen zu lassen" */

ADCSRA |= (1<<ADSC); // eine ADC-Wandlung
while (ADCSRA & (1<<ADSC) ) {} // auf Abschluss der Konvertierung warten
/* ADCW muss einmal gelesen werden, sonst wird Ergebnis der nächsten
Wandlung nicht übernommen. */
result = ADCW;
}

/* ADC Einzelmessung */
uint16_t ADC_Read( uint8_t channel )
{
// Kanal waehlen, ohne andere Bits zu beeinflußen
ADMUX = (ADMUX & ~(0x1F)) | (channel & 0x1F);
ADCSRA |= (1<<ADSC); // eine Wandlung "single conversion"
while (ADCSRA & (1<<ADSC) ) {} // auf Abschluss der Konvertierung warten
return ADCW; // ADC auslesen und zurückgeben
}

/* ADC Mehrfachmessung mit Mittelwertbbildung */
uint16_t ADC_Read_Avg( uint8_t channel, uint8_t average )
{
uint32_t result = 0;

for (uint8_t i = 0; i < average; ++i )
result += ADC_Read( channel );

return (uint16_t)( result / average );
}

...

/* Beispielaufrufe: */

int main()
{
uint16_t adcval;
ADC_Init();

while( 1 ) {
adcval = ADC_Read(0); // Kanal 0
// mach was mit adcval

adcval = ADC_Read_Avg(2, 4); // Kanal 2, Mittelwert aus 4 Messungen
// mach was mit adcval
}
}

</c>

Im Beispiel läuft der ADC ständig. Für den Fall, dass man Strom sparen will, z.B. mittels Verwendung des [[Sleep Mode]]s, muss man den ADC nach jeder Messung abschalten und vor der nächsten Messung wieder einschalten, wobei auch dann wieder eine kleine Pause und Anfangswandlung nötig sind.



=== Analog-Digital-Wandlung ohne internen ADC ===

==== Messen eines Widerstandes ====

[[Image:Poti.gif|framed|right]]
Analoge Werte lassen sich ohne Analog-Digital-Wandler auch indirekt ermitteln. Im Folgenden wird die Messung des an einem Potentiometer eingestellten Widerstands anhand der Ladekurve eines Kondensators erläutert. Bei dieser Methode wird nur ein Portpin benötigt, ein Analog-Digital-Wandler oder Analog-Comparator ist nicht erforderlich. Es wird dazu ein Kondensator und der Widerstand (das Potentiometer) in Reihe zwischen Vorsorgungsspannung und Masse/GND geschaltet (sogen. RC-Netzwerk). Zusätzlich wird eine Verbindung der Leitung zwischen Kondensator und Potentiometer zu einem Portpin des Controllers hergestellt. Die folgende Abbildung verdeutlicht die erforderliche Schaltung.

Wird der Portpin des Controllers auf Ausgang konfiguriert (im Beispiel ''DDRD |= (1<<PD2)'') und dieser Ausgang auf Logisch 1 ("High", ''PORTD |= (1<<PD2)'') geschaltet, liegt an beiden "Platten" des Kondensators das gleiche Potential '''VCC''' an und der Kondensator somit entladen. (Klingt komisch, mit ''' Vcc''' entladen, ist aber so, da an beiden Seiten des Kondensators das gleiche Potential anliegt und somit eine Potentialdifferenz von 0V besteht => Kondensator ist entladen).

Nach einer gewissen Zeit ist der Kondensator entladen und der Portpin wird als Eingang konfiguriert (''DDRD &= ~(1<<PD2); PORTD &= ~(1<<PD2)''), wodurch dieser hochohmig wird. Der Status des Eingangspin (in PIND) ist Logisch 1 (High). Der Kondensator lädt sich jetzt über das Poti auf, dabei steigt der Spannungsabfall über dem Kondensator und derjenige über dem Poti sinkt. Fällt nun der Spannungsabfall über dem Poti unter die Threshold-Spannung des Eingangspins (2/5 Vcc, also ca. 2V), wird das Eingangssignal als LOW erkannt (Bit in PIND wird 0). Die Zeitspanne zwischen der Umschaltung von Entladung auf Aufladung und dem Wechsel des Eingangssignals von High auf Low ist ein Maß für den am Potentiometer eingestellten Widerstand. Zur Zeitmessung kann einer der im Controller vorhandenen Timer genutzt werden. Der 220 Ohm Widerstand dient dem Schutz des Controllers. Es würde sonst bei Maximaleinstellung des Potentionmeters (hier 0 Ohm) ein zu hoher Strom fließen, der die Ausgangsstufe des Controllers zerstört.

Mit einem weiteren Eingangspin und ein wenig Software können wir auch eine Kalibrierung realisieren, um den Messwert in einen vernünftigen Bereich (z.B: 0...100 % oder so) umzurechnen.



==== ADC über Komparator ====

[[Image:ADC ueber Komparator.gif|framed|right]]
Es gibt einen weiteren Weg, eine analoge Spannung mit Hilfe des
Komparators, welcher in fast jedem AVR integriert ist, zu messen. Siehe dazu
auch die Application Note AVR400 von Atmel.

Dabei wird das zu messende Signal auf den invertierenden Eingang
des Komparators geführt. Zusätzlich wird ein Referenzsignal an den nicht
invertierenden Eingang des Komparators angeschlossen. Das Referenzsignal wird
hier auch wieder über ein RC-Glied erzeugt, allerdings mit festen Werten für R
und C.

Das Prinzip der Messung ist nun dem vorhergehenden recht
ähnlich. Durch Anlegen eines LOW-Pegels an Pin 2 wird der Kondensator zuerst
einmal entladen. Auch hier muss darauf geachtet werden, dass der Entladevorgang
genügend lang dauert.
Nun wird Pin 2 auf HIGH gelegt. Der Kondensator wird geladen. Wenn die Spannung
über dem Kondensator die am Eingangspin anliegende Spannung erreicht hat,
schaltet der Komparator durch. Die Zeit, welche benötigt wird, um den
Kondensator zu laden, kann nun auch wieder als Maß für die Spannung an Pin 1
herangezogen werden.

Ich habe es mir gespart, diese Schaltung auch aufzubauen, und zwar aus mehreren Gründen:

# 3 Pins notwendig.
# Genauigkeit vergleichbar mit einfacherer Lösung.
# War einfach zu faul.

Der Vorteil dieser Schaltung liegt allerdings darin, dass damit direkt Spannungen gemessen werden können.

== DAC (Digital Analog Converter) ==

Mit Hilfe eines Digital-Analog-Konverters ('''DAC''') können wir nun auch Analogsignale ausgeben. Es gibt hier mehrere Verfahren. 

=== DAC über mehrere digitale Ausgänge ===

Wenn wir an den Ausgängen des Controllers ein entsprechendes
Widerstandsnetzwerk aufbauen haben wir die Möglichkeit, durch die Ansteuerung
der Ausgänge über den Widerständen einen Addierer aufzubauen, mit dessen
Hilfe wir eine dem Zahlenwert proportionale Spannung erzeugen können. Das
Schaltbild dazu kann etwa so aussehen:

[[Image:DAC R2R.gif]]

Es sollten selbstverständlich möglichst genaue Widerstände verwendet
werden, also nicht unbedingt solche mit einer Toleranz von 10% oder mehr.
Weiterhin empfiehlt es sich, je nach Anwendung den Ausgangsstrom über einen
Operationsverstärker zu verstärken.

=== PWM (Pulsweitenmodulation) ===

Wir kommen nun zu einem Thema, welches in aller Munde ist, aber viele
Anwender verstehen nicht ganz, wie [[PWM]] eigentlich funktioniert.

Wie wir alle wissen, ist ein Mikrocontroller ein rein digitales Bauteil.
Definieren wir einen Pin als Ausgang, dann können wir diesen Ausgang entweder
auf HIGH setzen, worauf am Ausgang die Versorgungsspannung ''' Vcc''' anliegt, oder aber wir setzen den Ausgang auf LOW, wonach dann ''' 0V''' am Ausgang liegt. Was passiert aber nun, wenn wir periodisch mit einer festen Frequenz zwischen HIGH und LOW umschalten? - Richtig, wir erhalten eine Rechteckspannung, wie die folgende Abbildung zeigt:

[[Image:PWM Theorie 1.gif]]

Diese Rechteckspannung hat nun einen arithmetischen Mittelwert,
der je nach Pulsbreite kleiner oder größer ist.

[[Image:PWM Theorie 2.gif]]

Wenn wir nun diese pulsierende Ausgangsspannung noch über ein RC-Glied filtern/"glätten", dann haben wir schon eine entsprechende Gleichspannung erzeugt.

Mit den AVRs können wir direkt PWM-Signale erzeugen.
Dazu dient der 16-Bit Zähler, welcher im sogenannten PWM-Modus betrieben werden kann.

;Hinweis: In den folgenden Überlegungen wird als Controller der 90S2313 vorausgesetzt. Die Theorie ist bei anderen AVR-Controllern vergleichbar, die Pinbelegung allerdings nicht unbedingt, weshalb ein Blick ins entsprechende Datenblatt dringend angeraten wird.

Um den PWM-Modus zu aktivieren, müssen im Timer/Counter1 Control
Register A TCCR1A die Pulsweiten-Modulatorbits PWM10 bzw. PWM11 entsprechend nachfolgender Tabelle gesetzt werden:

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! PWM11 || PWM10 || Bedeutung
|-
| 0 || 0 || PWM-Modus des Timers ist nicht aktiv
|-
| 0 || 1 || 8-Bit PWM
|-
| 1 || 0 || 9-Bit PWM
|-
| 1 || 1 || 10-Bit PWM
|}

Der Timer/Counter zählt nun permanent von 0 bis zur Obergrenze
und wieder zurück, er wird also als sogenannter Auf-/Ab Zähler betrieben.
Die Obergrenze hängt davon ab, ob wir mit 8, 9 oder 10-Bit PWM arbeiten wollen:

{| class="wikitable"
|-
! Auflösung || Obergrenze || Frequenz
|-
| align="center" | 8
| align="center" | 255
| fTC1 / 510
|-
| align="center" | 9
| align="center" | 511
| fTC1 / 1022
|-
| align="center" | 10
| align="center" | 1023
| fTC1 / 2046
|}

Zusätzlich muss mit den Bits '''COM1A1''' und '''COM1A0''' desselben
Registers die gewünschte Ausgabeart des Signals definiert werden:

{| class="wikitable"
|-
! COM1A1 || COM1A0 || Bedeutung
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| Keine Wirkung, Pin wird nicht geschaltet.
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| Keine Wirkung, Pin wird nicht geschaltet.
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| Nicht invertierende PWM. 
Der Ausgangspin wird gelöscht beim Hochzählen und gesetzt beim
Herunterzählen.
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| Invertierende PWM. 
Der Ausgangspin wird gelöscht beim Herunterzählen und gesetzt beim
Hochzählen.
|}

Der entsprechende Befehl, um beispielsweise den Timer/Counter als
nicht invertierenden 10-Bit PWM zu verwenden, heißt dann:

alte Schreibweise (PWMxx wird nicht mehr akzeptiert)
<c>
TCCR1A = (1<<PWM11)|(1<<PWM10)|(1<<COM1A1);
</c>
neue Schreibweise
<c>
TCCR1A = (1<<WGM11)|(1<<WGM10)|(1<<COM1A1);
</c>

Damit der Timer/Counter überhaupt läuft, müssen wir im Control
Register B '''TCCR1B''' noch den gewünschten Takt (Vorteiler) einstellen und
somit auch die Frequenz des '''PWM'''-Signals bestimmen.

{| class="wikitable"
|-
! CS12 || CS11 || CS10 || Bedeutung
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| Stop. Der Timer/Counter wird gestoppt.
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| CK
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| CK / 8
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| CK / 64
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| CK / 256
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| CK / 1024
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| Externer Pin 1, negative Flanke
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| Externer Pin 1, positive Flanke
|}

Also um einen Takt von CK / 1024 zu generieren, verwenden wir
folgenden Befehl:

<c>
TCCR1B = (1<<CS12) | (1<<CS10);
</c>

Jetzt muss nur noch der Vergleichswert festgelegt werden. Diesen
schreiben wir in das 16-Bit Timer/Counter Output Compare Register '''OCR1A'''.

<c>
OCR1A = xxx;
</c>

Die folgende Grafik soll den Zusammenhang zwischen dem Vergleichswert und dem generierten '''PWM'''-Signal aufzeigen.

[[Image:PWM Theorie 3.gif]]

[[Image:PWM Theorie 4.gif]]

Ach ja, fast hätte ich's vergessen. Das generierte '''PWM'''-Signal
wird am Output Compare Pin '''OC1''' des Timers ausgegeben und leider können wir
deshalb auch beim AT90S2313 nur ein einzelnes '''PWM'''-Signal mit dieser Methode generieren. Andere AVR-Typen verfügen über bis zu vier PWM-Ausgänge. Zu beachten ist außerdem, das wenn der OC Pin aktiviert ist, er nichtmehr wie üblich funktioniert und z. B. nicht einfach über PINx ausgelesen werden kann.

Ein Programm, welches an einem ATmega8 den Fast-PWM Modus verwendet, den Modus 14, könnte so aussehen
<C>
#include <avr/io.h>

int main()
{
// OC1A auf Ausgang
DDRB = (1 << PB1 ); //ATMega8
// DDRD = (1 << PD5 ); //ATMega16
//
// Timer 1 einstellen
//
// Modus 14:
// Fast PWM, Top von ICR1
//
// WGM13 WGM12 WGM11 WGM10
// 1 1 1 0
//
// Timer Vorteiler: 1
// CS12 CS11 CS10
// 0 0 1
//
// Steuerung des Ausgangsport: Set at BOTTOM, Clear at match
// COM1A1 COM1A0
// 1 0

TCCR1A = (1<<COM1A1) | (1<<WGM11);
TCCR1B = (1<<WGM13) | (1<<WGM12) | (1<<CS10);

// den Endwert (TOP) für den Zähler setzen
// der Zähler zählt bis zu diesem Wert

ICR1 = 0x6FFF;

// der Compare Wert
// Wenn der Zähler diesen Wert erreicht, wird mit
// obiger Konfiguration der OC1A Ausgang abgeschaltet
// Sobald der Zähler wieder bei 0 startet, wird der
// Ausgang wieder auf 1 gesetzt
//
// Durch Verändern dieses Wertes, werden die unterschiedlichen
// PWM Werte eingestellt.

OCR1A = 0x3FFF;

while (1) {}
}
</C>

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''PWM-Mode Tabelle aus dem Datenblatt des ATmega8515'''
|-
!Mode || WGM13 || WGM12 || WGM11 || WGM10 || Timer/Counter Mode of Operation
! TOP|| Update of OCR1x at || TOV1 Flag set on
|-
! 0
| 0
| 0
| 0
| 0
| Normal
| 0xFFFF
| Immediate
| MAX
|-
! 1
| 0
| 0
| 0
| 1
| PWM, Phase Correct, 8-Bit
| 0x00FF
| TOP
| BOTTOM
|-
! 2
| 0
| 0
| 1
| 0
| PWM, Phase Correct, 9-Bit
| 0x01FF
| TOP
| BOTTOM
|-
! 3
| 0
| 0
| 1
| 1
| PWM, Phase Correct, 10-Bit
| 0x03FF
| TOP
| BOTTOM
|-
! 4
| 0
| 1
| 0
| 0
| CTC
| OCR1A
| Immediate
| MAX
|-
! 5
| 0
| 1
| 0
| 1
| Fast PWM, 8-Bit
| 0x00FF
| BOTTOM
| TOP
|-
! 6
| 0
| 1
| 1
| 0
| Fast PWM, 9-Bit
| 0x01FF
| BOTTOM
| TOP
|-
! 7
| 0
| 1
| 1
| 1
| Fast PWM, 10-Bit
| 0x03FF
| BOTTOM
| TOP
|-
! 8
| 1
| 0
| 0
| 0
| PWM, Phase an Frequency Correct
| ICR1
| BOTTOM
| BOTTOM
|-
! 9
| 1
| 0
| 0
| 1
| PWM, Phase an Frequency Correct
| OCR1A
| BOTTOM
| BOTTOM
|-
! 10
| 1
| 0
| 1
| 0
| PWM, Phase Correct
| ICR1
| TOP
| BOTTOM
|-
! 11
| 1
| 0
| 1
| 1
| PWM, Phase an Frequency Correct
| OCR1A
| TOP
| BOTTOM
|-
! 12
| 1
| 1
| 0
| 0
| CTC
| ICR1
| Immediate
| MAX
|-
! 13
| 1
| 1
| 0
| 1
| Reserved
| -
| -
| -
|-
! 14
| 1
| 1
| 1
| 0
| Fast PWM
| ICR1
| BOTTOM
| TOP
|-
! 15
| 1
| 1
| 1
| 1
| Fast PWM
| OCR1A
| BOTTOM
| TOP
|}

Für Details der PWM-Möglichkeiten muss immer das jeweilge Datenblatt des Prozessors konsultiert werden, da sich die unterschiedlichen Prozessoren in ihren Möglichkeiten doch stark unterscheiden. Auch muss man aufpassen, welches zu setzende Bit in welchem Register ist. Auch hier kann es sein, dass gleichnamige Konfigurationsbits in unterschiedlichen Konfigurationsregistern (je nach konkretem Prozessortyp) sitzen.

= Warteschleifen (delay.h) =

Der Programmablauf kann verschiedene Arten von Wartefunktionen erfordern:

* Warten im Sinn von Zeitvertrödeln
* Warten auf einen bestimmten Zustand an den I/O-Pins
* Warten auf einen bestimmten Zeitpunkt (siehe Timer)
* Warten auf einen bestimmten Zählerstand (siehe Counter)

Der einfachste Fall, das Zeitvertrödeln, kann in vielen Fällen und mit großer Genauigkeit anhand der avr-libc Bibliotheksfunktionen _delay_ms() und _delay_us() erledigt werden. Die Bibliotheksfunktionen sind einfachen Zählschleifen (Warteschleifen) vorzuziehen, da leere Zählschleifen ohne besondere Vorkehrungen sonst bei eingeschalteter Optimierung vom avr-gcc-Compiler wegoptimiert werden. Weiterhin sind die Bibliotheksfunktionen bereits darauf vorbereitet, die in F_CPU definierte Taktfrequenz zu verwenden. Außerdem sind die Funktionen der Bibliothek wirklich getestet.

Einfach!? Schon, aber während gewartet wird, macht der µC nichts anderes mehr. Die Wartefunktion blockiert den Programmablauf. Möchte man einerseits warten, um z. B. eine LED blinken zu lassen und gleichzeitig andere Aktionen ausführen z. B. weitere LED bedienen, sollten die Timer/Counter des AVR verwendet werden.

Die Bibliotheksfunktionen funktionieren allerdings nur dann korrekt, wenn sie mit zur Übersetzungszeit (beim Compilieren) bekannten konstanten Werten aufgerufen werden. Der Quellcode muss mit eingeschalteter Optimierung übersetzt werden, sonst wird sehr viel Maschinencode erzeugt, und die Wartezeiten stimmen nicht mehr mit dem Parameter überein.

Abhängig von der Version der Bibliothek verhalten sich die Bibliotheksfunktionen etwas unterschiedlich.

== avr-libc Versionen kleiner 1.6 ==

Die Wartezeit der Funktion _delay_ms() ist auf 262,14ms/F_CPU (in MHz) begrenzt, d.h. bei 20 MHz kann man nur max. 13,1ms warten. Die Wartezeit der Funktion _delay_us() ist auf 768us/F_CPU (in MHz) begrenzt, d.h. bei 20 MHz kann man nur max. 38,4us warten. Längere Wartezeiten müssen dann über einen mehrfachen Aufruf in einer Schleife gelöst werden.

Beispiel: Blinken einer LED an PORTB Pin PB0 im ca. 1s Rhythmus
<c>
#include <avr/io.h>
#ifndef F_CPU
/* Definiere F_CPU, wenn F_CPU nicht bereits vorher definiert
(z. B. durch Übergabe als Parameter zum Compiler innerhalb
des Makefiles). Zusätzlich Ausgabe einer Warnung, die auf die
"nachträgliche" Definition hinweist */
#warning "F_CPU war noch nicht definiert, wird nun mit 3686400 definiert"
#define F_CPU 3686400UL /* Quarz mit 3.6864 Mhz */
#endif
#include <util/delay.h> /* in älteren avr-libc Versionen <avr/delay.h> */

/*
lange, variable Verzögerungszeit, Einheit in Millisekunden

Die maximale Zeit pro Funktionsaufruf ist begrenzt auf
262.14 ms / F_CPU in MHz (im Beispiel:
262.1 / 3.6864 = max. 71 ms)

Daher wird die kleine Warteschleife mehrfach aufgerufen,
um auf eine längere Wartezeit zu kommen. Die zusätzliche
Prüfung der Schleifenbedingung lässt die Wartezeit geringfügig
ungenau werden (macht hier vielleicht 2-3ms aus).
*/

void long_delay(uint16_t ms)
{
for(; ms>0; ms--) _delay_ms(1);
}

int main( void )
{
DDRB = ( 1 << PB0 ); // PB0 an PORTB als Ausgang setzen

while( 1 ) // Endlosschleife
{
PORTB ^= ( 1 << PB0 ); // Toggle PB0 z. B. angeschlossene LED
long_delay(1000); // Eine Sekunde warten...
}

return 0;
}
</c>

== avr-libc Versionen ab 1.6 ==

_delay_ms() kann mit einem Argument bis 6553,5 ms (= 6,5535 Sekunden) benutzt werden. Wird die früher gültige Grenze von 262,14 ms/F_CPU (in MHz) überschritten, so arbeitet _delay_ms() einfach etwas ungenauer und zählt nur noch mit einer Auflösung von 1/10 ms. Eine Verzögerung von 1000,10 ms ließe sich nicht mehr von einer von 1000,19 ms unterscheiden. Ein Verlust, der sich im Allgemeinen verschmerzen lässt. Dem Programmierer wird keine Rückmeldung gegeben, dass die Funktion ggf. gröber arbeitet, d.h. wenn es darauf ankommt, bitte den Parameter wie bisher geschickt wählen.

Die Funktion _delay_us() wurde ebenfalls erweitert. Wenn deren maximal als genau behandelbares Argument überschritten wird, benutzt diese intern _delay_ms(). Damit gelten in diesem Fall die _delay_ms() Einschränkungen.

Beispiel: Blinken einer LED an PORTB Pin PB0 im ca. 1s Rhythmus, avr-libc ab Version 1.6
<c>
#include <avr/io.h>
#ifndef F_CPU
/* Definiere F_CPU, wenn F_CPU nicht bereits vorher definiert
(z. B. durch Übergabe als Parameter zum Compiler innerhalb
des Makefiles). Zusätzlich Ausgabe einer Warnung, die auf die
"nachträgliche" Definition hinweist */
#warning "F_CPU war noch nicht definiert, wird nun mit 3686400 definiert"
#define F_CPU 3686400UL /* Quarz mit 3.6864 Mhz */
#endif
#include <util/delay.h>

int main( void )
{
DDRB = ( 1 << PB0 ); // PB0 an PORTB als Ausgang setzen

while( 1 ) { // Endlosschleife
PORTB ^= ( 1 << PB0 ); // Toggle PB0 z. B. angeschlossene LED
_delay_ms(1000); // Eine Sekunde +/-1/10000 Sekunde warten...
// funktioniert nicht mit Bibliotheken vor 1.6

}
return 0;
}
</c>

Die _delay_ms() und die _delay_us aus '''avr-libc 1.7.0''' sind fehlerhaft. _delay_ms () läuft 4x schneller als erwartet. Abhilfe ist eine korrigierte Includedatei: [http://www.mikrocontroller.net/topic/196738#1943039]

= Programmieren mit Interrupts =

<div style="float:right; margin:2em;">
[[Image:Interrupt Programme.gif]]
</div>
Nachdem wir nun alles Wissenswerte für die serielle Programmerstellung
gelernt haben nehmen wir jetzt ein völlig anderes Thema in Angriff, nämlich
die Programmierung unter Zuhilfenahme der Interrupts des AVR.

Als erstes wollen wir uns noch einmal den allgemeinen Programmablauf bei der
Interrupt-Programmierung zu Gemüte führen.

Man sieht, dass die Interruptroutine quasi parallel zum Hauptprogramm
abläuft. Da wir nur eine CPU haben ist es natürlich keine echte Parallelität,
sondern das Hauptprogramm wird beim Eintreffen eines Interrupts unterbrochen,
die Interruptroutine wird ausgeführt und danach erst wieder zum Hauptprogramm
zurückgekehrt.

Siehe auch

* [http://www.mikrocontroller.net/forum/read-1-235092.html#new Ausführlicher Thread im Forum]
* Artikel [[Interrupt]]
* Artikel [[Multitasking]]
{{Clear}}

== Anforderungen an Interrupt-Routinen ==

Um unliebsamen Überraschungen vorzubeugen, sollten einige Grundregeln bei der Implementierung der Interruptroutinen beachtet werden. Interruptroutinen sollten möglichst kurz und schnell abarbeitbar sein, daraus folgt:

* Keine umfangreichen Berechnungen innerhalb der Interruptroutine. (*)
* Keine langen Programmschleifen.
* Obwohl es möglich ist, während der Abarbeitung einer Interruptroutine andere oder sogar den gleichen Interrupt wieder zuzulassen, wird davon ohne genaue Kenntnis der internen Abläufe dringend abgeraten.

Interruptroutinen (ISRs) sollten also möglichst kurz sein und keine Schleifen mit vielen Durchläufen enthalten. Längere Operationen können meist in einen "Interrupt-Teil" in einer ISR und einen "Arbeitsteil" im Hauptprogramm aufgetrennt werden. Z.B. Speichern des Zustands aller Eingänge im EEPROM in bestimmten Zeitabständen: ISR-Teil: Zeitvergleich (Timer,RTC) mit Logzeit/-intervall. Bei Übereinstimmung ein globales Flag setzen (volatile bei Flag-Deklaration nicht vergessen, s.u.). Dann im Hauptprogramm prüfen, ob das Flag gesetzt ist. Wenn ja: die Daten im EEPROM ablegen und Flag löschen.

(*)
Hinweis:
Es gibt allerdings die seltene Situation, dass man gerade eingelesene
ADC-Werte sofort verarbeiten muss. Besonders dann, wenn man mehrere Werte sehr
schnell hintereinander bekommt. Dann bleibt einem nichts anderes übrig, als die
Werte noch in der ISR zu verarbeiten. Kommt aber sehr selten vor und sollte
durch geeignete Wahl des Systemtaktes bzw. Auswahl des Controllers vermieden werden!

== Interrupt-Quellen ==

Die folgenden Ereignisse können einen Interrupt auf einem AVR AT90S2313 auslösen, wobei die Reihenfolge der Auflistung auch die Priorität der Interrupts aufzeigt.

* Reset
* Externer Interrupt 0
* Externer Interrupt 1
* Timer/Counter 1 Capture Ereignis
* Timer/Counter 1 Compare Match
* Timer/Counter 1 Überlauf
* Timer/Counter 0 Überlauf
* UART Zeichen empfangen
* UART Datenregister leer
* UART Zeichen gesendet
* Analoger Komparator

Die Anzahl der möglichen Interruptquellen variiert zwischen den verschiedenen Microcontroller-Typen. Im Zweifel hilft ein Blick ins Datenblatt ("Interrupt Vectors").

== Register ==

Der AT90S2313 verfügt über 2 Register die mit den
Interrupts zusammen hängen.

{| class="wikitable"
|-
| '''GIMSK'''
| '''G'''eneral '''I'''nterrupt '''M'''ask '''R'''egister. 

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7 || 6|| 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| '''INT1''' || '''INT0''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-'''
|-
! R/W
| R/W || R/W || R || R || R || R || R || R
|-
! Initialwert
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0
|}

'''INT1''' (External '''Int'''errupt Request '''1''' Enable)
:Wenn dieses Bit gesetzt ist, wird ein Interrupt ausgelöst, wenn am '''INT1'''-Pin eine steigende oder fallende (je nach Konfiguration im '''MCUCR''') Flanke erkannt wird.
:Das Global Enable Interrupt Flag muss selbstverständlich auch gesetzt sein.
:Der Interrupt wird auch ausgelöst, wenn der Pin als Ausgang geschaltet ist. Auf diese Weise bietet sich die Möglichkeit, Software-Interrupts zu realisieren.

'''INT0''' (External '''Int'''errupt Request '''0''' Enable)
:Wenn dieses Bit gesetzt ist, wird ein Interrupt ausgelöst, wenn am '''INT0'''-Pin eine steigende oder fallende (je nach Konfiguration im '''MCUCR''') Flanke erkannt wird.
:Das Global Enable Interrupt Flag muss selbstverständlich auch gesetzt sein.
:Der Interrupt wird auch ausgelöst, wenn der Pin als Ausgang geschaltet ist. Auf diese Weise bietet sich die Möglichkeit, Software-Interrupts zu realisieren.

|-
| '''GIFR'''
| '''G'''eneral '''I'''nterrupt '''F'''lag '''R'''egister.

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7 || 6 || 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| '''INTF1''' || '''INTF0''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-''' || '''-'''
|-
! R/W
| R/W || R/W || R || R || R || R || R || R
|-
! Initialwert
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0
|}

'''INTF1''' (External '''Int'''errupt Flag '''1''')
:Dieses Bit wird gesetzt, wenn am '''INT1'''-Pin eine Interrupt-Kondition, entsprechend der Konfiguration, erkannt wird. Wenn das Global Enable Interrupt Flag gesetzt ist, wird die Interruptroutine angesprungen.
:Das Flag wird automatisch gelöscht, wenn die Interruptroutine beendet ist. Alternativ kann das Flag gelöscht werden, indem der Wert '''1(!)''' eingeschrieben wird.

'''INTF0''' (External '''Int'''errupt Flag '''0''')
:Dieses Bit wird gesetzt, wenn am '''INT0'''-Pin eine Interrupt-Kondition, entsprechend der Konfiguration, erkannt wird. Wenn das Global Enable Interrupt Flag gesetzt ist, wird die Interruptroutine angesprungen.
:Das Flag wird automatisch gelöscht, wenn die Interruptroutine beendet ist. Alternativ kann das Flag gelöscht werden, indem der Wert '''1(!)''' eingeschrieben wird.
|-
| '''MCUCR'''
| '''MCU''' '''C'''ontrol '''R'''egister.

Das MCU Control Register enthält Kontrollbits für allgemeine
MCU-Funktionen.

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|-
! Bit
| 7 || 6 || 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| '''-'''|| '''-'''|| '''SE'''|| '''SM'''|| '''ISC11'''|| '''ISC10'''|| '''ISC01'''|| '''ISC00'''
|-
! R/W
| R || R || R/W || R/W || R/W || R/W || R/W || R/W
|-
! Initialwert
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0

|}

'''SE''' ('''S'''leep '''E'''nable)
:Dieses Bit muss gesetzt sein, um den Controller mit dem '''SLEEP'''-Befehl in den Schlafzustand versetzen zu können.
:Um den Schlafmodus nicht irrtümlich einzuschalten, wird empfohlen, das Bit erst unmittelbar vor Ausführung des '''SLEEP'''-Befehls zu setzen.

'''SM''' ('''S'''leep '''M'''ode)
:Dieses Bit bestimmt der Schlafmodus.
:Ist das Bit gelöscht, so wird der '''Idle'''-Modus ausgeführt. Ist das Bit gesetzt, so wird der '''Power-Down'''-Modus ausgeführt. (für andere AVR Controller siehe Abschnitt "Sleep-Mode")

'''ISC11''', '''ISC10''' ('''I'''nterrupt '''S'''ense '''C'''ontrol '''1''' Bits)
:Diese beiden Bits bestimmen, ob die steigende oder die fallende Flanke für die Interrupterkennung am '''INT1'''-Pin ausgewertet wird.

:{| class="wikitable"
|-
! ISC11 || ISC10 || Bedeutung
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| Low Level an '''INT1''' erzeugt einen Interrupt.

Der Interrupt wird getriggert, solange der Pin auf 0 bleibt.
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| Reserviert
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| Die fallende Flanke an '''INT1''' erzeugt einen Interrupt.
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| Die steigende Flanke an '''INT1''' erzeugt einen Interrupt.
|}

'''ISC01''', '''ISC00''' ('''I'''nterrupt '''S'''ense '''C'''ontrol '''0''' Bits)
:Diese beiden Bits bestimmen, ob die steigende oder die fallende Flanke für die Interrupterkennung am '''INT0'''-Pin ausgewertet wird.

:{| class="wikitable"
|-
! ISC01 || ISC00 || Bedeutung
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 0
| Low Level an '''INT0''' erzeugt einen Interrupt.

Der Interrupt wird getriggert, solange der Pin auf 0 bleibt.
|-
| align="center" | 0
| align="center" | 1
| Reserviert
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 0
| Die fallende Flanke an '''INT0''' erzeugt einen Interrupt.
|-
| align="center" | 1
| align="center" | 1
| Die steigende Flanke an '''INT0''' erzeugt einen Interrupt.
|}

|}

== Allgemeines über die Interrupt-Abarbeitung ==

Wenn ein Interrupt eintrifft, wird automatisch das '''Global Interrupt Enable''' Bit im Status Register '''SREG''' gelöscht und alle weiteren Interrupts unterbunden. Obwohl es möglich ist, zu diesem Zeitpunkt bereits wieder das GIE-bit zu setzen, wird dringend davon abgeraten. Dieses wird nämlich automatisch gesetzt, wenn die Interruptroutine beendet wird. Wenn in der Zwischenzeit weitere Interrupts eintreffen, werden die zugehörigen Interrupt-Bits gesetzt und die Interrupts bei Beendigung der laufenden Interrupt-Routine in der Reihenfolge ihrer Priorität ausgeführt. Dies kann
eigentlich nur dann zu Problemen führen, wenn ein hoch priorisierter Interrupt ständig und in kurzer Folge auftritt. Dieser sperrt dann möglicherweise alle anderen Interrupts mit niedrigerer Priorität. Dies ist einer der Gründe, weshalb die Interrupt-Routinen sehr kurz gehalten werden sollen.



== Interrupts mit dem AVR GCC Compiler (WinAVR) ==


Funktionen zur Interrupt-Verarbeitung werden in den Includedateien ''interrupt.h'' der avr-libc zur Verfügung gestellt (bei älterem Quellcode zusätzlich ''signal.h'').

<c>
// fuer sei(), cli() und ISR():
#include <avr/interrupt.h>
</c>

Das Makro '''sei()''' schaltet die Interrupts ein. Eigentlich wird nichts anderes gemacht, als das '''Global Interrupt Enable''' Bit im Status Register gesetzt.

<c>
sei();
</c>

Das Makro '''cli()''' schaltet die Interrupts aus, oder anders gesagt, das '''Global Interrupt Enable''' Bit im Status Register wird gelöscht.

<c>
cli();
</c>

Oft steht man vor der Aufgabe, dass eine Codesequenz nicht unterbrochen werden darf. Es liegt dann nahe, zu Beginn dieser Sequenz ein cli() und am Ende ein sei() einzufügen. Dies ist jedoch ungünstig, wenn die Interrupts vor Aufruf der Sequenz deaktiviert waren und danach auch weiterhin deaktiviert bleiben sollen. Ein sei() würde ungeachtet des vorherigen Zustands die Interrupts aktivieren, was zu unerwünschten Seiteneffekten führen kann. Die aus dem folgenden Beispiel ersichtliche Vorgehensweise ist in solchen Fällen vorzuziehen:

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <inttypes.h>

//...

void NichtUnterbrechenBitte(void)
{
uint8_t tmp_sreg; // temporaerer Speicher fuer das Statusregister

tmp_sreg = SREG; // Statusregister (also auch das I-Flag darin) sichern
cli(); // Interrupts global deaktivieren

/* hier "unterbrechnungsfreier" Code */

/* Beispiel Anfang
JTAG-Interface eines ATmega16 per Software deaktivieren
und damit die JTAG-Pins an PORTC für "general I/O" nutzbar machen
ohne die JTAG-Fuse-Bit zu aendern. Dazu ist eine "timed sequence"
einzuhalten (vgl Datenblatt ATmega16, Stand 10/04, S. 229):
Das JTD-Bit muss zweimal innerhalb von 4 Taktzyklen geschrieben
werden. Ein Interrupt zwischen den beiden Schreibzugriffen wuerde
die erforderliche Sequenz "brechen", das JTAG-Interface bliebe
weiterhin aktiv und die IO-Pins weiterhin für JTAG reserviert. */

MCUCSR |= (1<<JTD);
MCUCSR |= (1<<JTD); // 2 mal in Folge ,vgl. Datenblatt fuer mehr Information

/* Beispiel Ende */

SREG = tmp_sreg; // Status-Register wieder herstellen
// somit auch das I-Flag auf gesicherten Zustand setzen
}

void NichtSoGut(void)
{
cli();

/* hier "unterbrechnungsfreier" Code */

sei();
}

int main(void)
{
//...

cli();
// Interrupts global deaktiviert

NichtUnterbrechenBitte();
// auch nach Aufruf der Funktion deaktiviert

sei();
// Interrupts global aktiviert

NichtUnterbrechenBitte();
// weiterhin aktiviert
//...

/* Verdeutlichung der unguenstigen Vorgehensweise mit cli/sei: */
cli();
// Interrupts jetzt global deaktiviert

NichtSoGut();
// nach Aufruf der Funktion sind Interrupts global aktiviert
// dies ist mglw. ungewollt!
//...

}
</c>


Zu den aktivierten Interrupts ist eine Funktion zu programmieren, deren Code aufgerufen wird, wenn der betreffende Interrupt auftritt (Interrupt-Handler, Interrupt-Service-Routine). Dazu existiert die Definition (ein Makro) '''ISR'''.

=== ISR ===

(''ISR()'' ersetzt bei neueren Versionen der avr-libc ''SIGNAL()''. SIGNAL sollte nicht mehr genutzt werden, zur Portierung von SIGNAL nach ISR siehe den [[AVR-GCC-Tutorial#Anhang|Anhang]].)

<c>
#include <avr/interrupt.h>
//...
ISR(Vectorname) /* vormals: SIGNAL(siglabel) dabei Vectorname != siglabel ! */
{
/* Interrupt Code */
}
</c>

Mit ''ISR'' wird eine Funktion für die Bearbeitung eines Interrupts eingeleitet. Als Argument muss dabei die Benennung des entsprechenden Interruptvektors angegeben werden. Diese sind in den jeweiligen Includedateien IOxxxx.h zu finden. Die Bezeichnung entspricht dem Namen aus dem Datenblatt, bei dem die Leerzeichen durch Unterstriche ersetzt sind und ein ''_vect'' angehängt ist.

Als Beispiel ein Ausschnitt aus der Datei für den ATmega8 (bei WinAVR Standardinstallation in C:\WinAVR\avr\include\avr\iom8.h) in der neben den aktuellen Namen für ''ISR'' (*_vect) noch die Bezeichnungen für das inzwischen nicht mehr aktuelle ''SIGNAL'' (SIG_*) enthalten sind.

<c>
//...
/* $Id: iom8.h,v 1.13 2005/10/30 22:11:23 joerg_wunsch Exp $ */

/* avr/iom8.h - definitions for ATmega8 */
//...

/* Interrupt vectors */

/* External Interrupt Request 0 */
#define INT0_vect _VECTOR(1)
#define SIG_INTERRUPT0 _VECTOR(1)

/* External Interrupt Request 1 */
#define INT1_vect _VECTOR(2)
#define SIG_INTERRUPT1 _VECTOR(2)

/* Timer/Counter2 Compare Match */
#define TIMER2_COMP_vect _VECTOR(3)
#define SIG_OUTPUT_COMPARE2 _VECTOR(3)

/* Timer/Counter2 Overflow */
#define TIMER2_OVF_vect _VECTOR(4)
#define SIG_OVERFLOW2 _VECTOR(4)

/* Timer/Counter1 Capture Event */
#define TIMER1_CAPT_vect _VECTOR(5)
#define SIG_INPUT_CAPTURE1 _VECTOR(5)

/* Timer/Counter1 Compare Match A */
#define TIMER1_COMPA_vect _VECTOR(6)
#define SIG_OUTPUT_COMPARE1A _VECTOR(6)

/* Timer/Counter1 Compare Match B */
#define TIMER1_COMPB_vect _VECTOR(7)
#define SIG_OUTPUT_COMPARE1B _VECTOR(7)

//...
</c>


Mögliche Funktionsrümpfe für Interruptfunktionen sind zum Beispiel:

<c>
#include <avr/interrupt.h>
/* veraltet: #include <avr/signal.h> */

ISR(INT0_vect) /* veraltet: SIGNAL(SIG_INTERRUPT0) */
{
/* Interrupt Code */
}

ISR(TIMER0_OVF_vect) /* veraltet: SIGNAL(SIG_OVERFLOW0) */
{
/* Interrupt Code */
}

ISR(USART_RXC_vect) /* veraltet: SIGNAL(SIG_UART_RECV) */
{
/* Interrupt Code */
}

// und so weiter und so fort...
</c>

Auf die korrekte Schreibweise der Vektorbezeichnung ist zu achten. Der gcc-Compiler prüft erst ab Version 4.x, ob ein Signal/Interrupt der angegebenen Bezeichnung tatsächlich in der Includedatei definiert ist und gibt andernfalls eine Warnung aus. Bei WinAVR (ab 2/2005) wurde die Überprüfung auch in den mitgelieferten Compiler der Version 3.x integriert. Aus dem gcc-Quellcode Version 3.x selbst erstellte Compiler enthalten die Prüfung nicht (vgl. [[AVR-GCC]]).

Während der Ausführung der Funktion sind alle weiteren Interrupts automatisch gesperrt. Beim Verlassen der Funktion werden die Interrupts wieder zugelassen.

Sollte während der Abarbeitung der Interruptroutine ein weiterer Interrupt (gleiche oder andere Interruptquelle) auftreten, so wird das entsprechende Bit im zugeordneten Interrupt Flag Register gesetzt und die entsprechende Interruptroutine automatisch nach dem Beenden der aktuellen Funktion aufgerufen.

Ein Problem ergibt sich eigentlich nur dann, wenn während der Abarbeitung der aktuellen Interruptroutine mehrere gleichartige Interrupts auftreten. Die entsprechende Interruptroutine wird im Nachhinein zwar aufgerufen jedoch wissen wir nicht, ob nun der entsprechende Interrupt einmal, zweimal oder gar noch öfter aufgetreten ist. Deshalb soll hier noch einmal betont werden, dass Interruptroutinen so schnell wie nur irgend möglich wieder verlassen werden sollten.

=== Unterbrechbare Interruptroutinen ===

"Faustregel": im Zweifel '''ISR'''. Die nachfolgend beschriebene Methode nur dann verwenden, wenn man sich über die unterschiedliche Funktionsweise im Klaren ist.

<c>
#include <avr/interrupt.h>

ISR(XXX,ISR_NOBLOCK) /* veraltet: INTERRUPT(SIG_OVERFLOW0) */
{
/* Interrupt-Code */
}
</c>

Hierbei steht XXX für den oben beschriebenen Namen des Vektors (also z. B. ''TIMER0_OVF_vect''). Der Unterschied im Vergleich zu einer herkömmlichen ISR ist, dass hier beim Aufrufen der Funktion das '''Global Enable Interrupt''' Bit durch Einfügen einer SEI-Anweisung direkt wieder gesetzt und somit alle Interrupts zugelassen werden – auch XXX-Interrupts.

Bei unsachgemässer Handhabung kann dies zu erheblichen Problemen wie einem Stack-Overflow oder anderen unerwarteten Effekten führen und sollte wirklich nur dann eingesetzt werden, wenn man sich sicher ist, das Ganze auch im Griff zu haben.

Insbesondere sollte möglichst am ISR-Anfang die auslösende IRQ-Quelle deaktiviert und erst am Ende der ISR wieder aktiviert werden. Robuster als die Verwendung einer NOBLOCK-ISR ist daher folgender ISR-Aufbau:

<c>
#include <avr/interrupt.h>

ISR (XXX)
{
// Implementiere die ISR ohne zunaechst weitere IRQs zuzulassen

<<Dektiviere die XXX-IRQ>>

// Erlaube alle Interrupts (ausser XXX)
sei();

//... Code ...

// IRQs global deaktivieren um die XXX-IRQ wieder gefahrlos
// aktivieren zu koennen
cli();

<<Aktiviere die XXX-IRQ>>
}
</c>
Auf diese Weise kann sich die XXX-IRQ nicht selbst unterbrechen, was zu einer Art Endlosschleife führen würde.

Siehe auch: Hinweise in [[AVR-GCC]]

siehe dazu: http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__avr__interrupts.html

== Datenaustausch mit Interrupt-Routinen ==

Variablen, die sowohl in Interrupt-Routinen (ISR = Interrupt Service Routine(s)) als auch vom übrigen Programmcode geschrieben oder gelesen werden, müssen mit einem '''volatile''' deklariert werden. Damit wird dem Compiler mitgeteilt, dass der Inhalt der Variablen vor jedem Lesezugriff aus dem Speicher gelesen und nach jedem Schreibzugriff in den Speicher geschrieben wird. Ansonsten könnte der Compiler den Code so optimieren, dass der Wert der Variablen nur in Prozessorregistern zwischengespeichert wird, die nichts von der Änderung woanders mitbekommen.

Zur Veranschaulichung ein Codefragment für eine Tastenentprellung mit Erkennung einer "lange gedrückten" Taste.

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <stdint.h>
//...

// Schwellwerte
// Entprellung:
#define CNTDEBOUNCE 10
// "lange gedrueckt:"
#define CNTREPEAT 200

// hier z. B. Taste an Pin2 PortA "active low" = 0 wenn gedrueckt
#define KEY_PIN PINA
#define KEY_PINNO PA2

// beachte: volatile!
volatile uint8_t gKeyCounter;

// Timer-Compare Interrupt ISR, wird z.B. alle 10ms ausgefuehrt
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
// hier wird gKeyCounter veraendert. Die übrigen
// Programmteile müssen diese Aenderung "sehen":
// volatile -> aktuellen Wert immer in den Speicher schreiben
if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
if (gKeyCounter < CNTREPEAT) gKeyCounter++;
}
else {
gKeyCounter = 0;
}
}

//...

int main(void)
{
//...
/* hier: Initialisierung der Ports und des Timer-Interrupts */
//...
// hier wird auf gKeyCounter zugegriffen. Dazu muss der in der
// ISR geschriebene Wert bekannt sein:
// volatile -> aktuellen Wert immer aus dem Speicher lesen
if ( gKeyCounter > CNTDEBOUNCE ) { // Taste mind. 10*10 ms "prellfrei"
if (gKeyCounter == CNTREPEAT) {
/* hier: Code fuer "Taste lange gedrueckt" */
}
else {
/* hier: Code fuer "Taste kurz gedrueckt" */
}
}
//...
}
</c>

Wird innerhalb einer ISR mehrfach auf eine mit volatile deklarierte Variable zugegriffen, wirkt sich dies ungünstig auf die Verarbeitungsgeschwindigkeit aus, da bei jedem Zugriff mit dem Speicherinhalt abgeglichen wird. Da bei AVR-Controllern ''innerhalb'' einer ISR keine Unterbrechungen zu erwarten sind, bietet es sich an, einen Zwischenspeicher in Form einer lokalen Variable zu verwenden, deren Inhalt zu Beginn und am Ende mit dem der volatile Variable synchronisiert wird. Lokale Variable werden bei eingeschalteter Optimierung mit hoher Wahrscheinlichkeit in Prozessorregistern verwaltet und der Zugriff darauf ist daher nur mit wenigen internen Operationen verbunden. Die ISR aus dem vorherigen Beispiel lässt sich so optimieren:

<c>
//...
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
uint8_t tmp_kc;

tmp_kc = gKeyCounter; // Uebernahme in lokale Arbeitsvariable

if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
if (tmp_kc < CNTREPEAT) {
tmp_kc++;
}
}
else {
tmp_kc = 0;
}

gKeyCounter = tmp_kc; // Zurueckschreiben
}
//...
</c>

Zum Vergleich die Disassemblies (Ausschnitte der "lss-Dateien", compiliert für ATmega162) im Anschluss. Man erkennt den viermaligen Zugriff auf die Speicheraddresse von ''gKeyCounter'' (hier 0x032A) in der ISR ohne "Cache"-Variable und den zweimaligen Zugriff in der Variante mit Zwischenspeicher. Im Beispiel ist der Vorteil gering, bei komplexeren Routinen kann die Zwischenspeicherung in lokalen Variablen jedoch zu deutlicheren Verbesserungen führen.

<pre>
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
86a: 1f 92 push r1
86c: 0f 92 push r0
86e: 0f b6 in r0, 0x3f ; 63
870: 0f 92 push r0
872: 11 24 eor r1, r1
874: 8f 93 push r24
if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
876: ca 99 sbic 0x19, 2 ; 25
878: 0a c0 rjmp .+20 ; 0x88e <__vector_13+0x24>
if (gKeyCounter < CNTREPEAT) gKeyCounter++;
87a: 80 91 2a 03 lds r24, 0x032A
87e: 88 3c cpi r24, 0xC8 ; 200
880: 40 f4 brcc .+16 ; 0x892 <__vector_13+0x28>
882: 80 91 2a 03 lds r24, 0x032A
886: 8f 5f subi r24, 0xFF ; 255
888: 80 93 2a 03 sts 0x032A, r24
88c: 02 c0 rjmp .+4 ; 0x892 <__vector_13+0x28>
}
else {
gKeyCounter = 0;
88e: 10 92 2a 03 sts 0x032A, r1
892: 8f 91 pop r24
894: 0f 90 pop r0
896: 0f be out 0x3f, r0 ; 63
898: 0f 90 pop r0
89a: 1f 90 pop r1
89c: 18 95 reti
</pre>

<pre>
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
86a: 1f 92 push r1
86c: 0f 92 push r0
86e: 0f b6 in r0, 0x3f ; 63
870: 0f 92 push r0
872: 11 24 eor r1, r1
874: 8f 93 push r24
uint8_t tmp_kc;

tmp_kc = gKeyCounter;
876: 80 91 2a 03 lds r24, 0x032A

if ( !(KEY_PIN & (1<<KEY_PINNO)) ) {
87a: ca 9b sbis 0x19, 2 ; 25
87c: 02 c0 rjmp .+4 ; 0x882 <__vector_13+0x18>
87e: 80 e0 ldi r24, 0x00 ; 0
880: 03 c0 rjmp .+6 ; 0x888 <__vector_13+0x1e>
if (tmp_kc < CNTREPEAT) {
882: 88 3c cpi r24, 0xC8 ; 200
884: 08 f4 brcc .+2 ; 0x888 <__vector_13+0x1e>
tmp_kc++;
886: 8f 5f subi r24, 0xFF ; 255
}
}
else {
tmp_kc = 0;
}

gKeyCounter = tmp_kc;
888: 80 93 2a 03 sts 0x032A, r24
88c: 8f 91 pop r24
88e: 0f 90 pop r0
890: 0f be out 0x3f, r0 ; 63
892: 0f 90 pop r0
894: 1f 90 pop r1
896: 18 95 reti
</pre>

=== volatile und Pointer ===

Bei '''volatile''' in Verbindung mit Pointern ist zu beachten, ob der Pointer selbst oder die Variable, auf die der Pointer zeigt, '''volatile''' ist.

<c>
volatile uint8_t *a; // das Ziel von a ist volatile

uint8_t *volatile a; // a selbst ist volatile
</c>

Falls der Pointer volatile ist (zweiter Fall im Beispiel), ist zu beachten, dass der Wert des Pointers, also eine Speicheradresse, intern in mehr als einem Byte verwaltet wird. Lese- und Schreibzugriffe im Hauptprogramm (außerhalb von Interrupt-Routinen) sind daher so zu implementieren, dass alle Teilbytes der Adresse konsistent bleiben, vgl. dazu den folgenden Abschnitt.

=== Variablen größer 1 Byte ===

Bei Variablen größer ein Byte, auf die in Interrupt-Routinen und im Hauptprogramm zugegriffen wird, muss darauf geachtet werden, dass die Zugriffe auf die einzelnen Bytes außerhalb der ISR nicht durch einen Interrupt unterbrochen werden. (Allgemeinplatz: AVRs sind 8-bit Controller). Zur Veranschaulichung ein Codefragment:

<c>
//...
volatile uint16_t gMyCounter16bit;
//...
ISR(...)
{
//...
gMyCounter16Bit++;
//...
}

int main(void)
{
uint16_t tmpCnt;
//...
// nicht gut: Mglw. hier ein Fehler, wenn ein Byte von MyCounter
// schon in tmpCnt kopiert ist aber vor dem Kopieren des zweiten Bytes
// ein Interrupt auftritt, der den Inhalt von MyCounter verändert.
tmpCnt = gMyCounter16bit;

// besser: Änderungen "außerhalb" verhindern -> alle "Teilbytes"
// bleiben konsistent
cli(); // Interrupts deaktivieren
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
sei(); // wieder aktivieren

// oder: vorheriger Status des globalen Interrupt-Flags bleibt erhalten
uint8_t sreg_tmp;
sreg_tmp = SREG; /* Sichern */
cli()
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
SREG = sreg_tmp; /* Wiederherstellen */

// oder: mehrfach lesen, bis man konsistente Daten hat
uint16_t count1 = gMyCounter16Bit;
uint16_t count2 = gMyCounter16Bit;
while (count1 != count2) {
count1 = count2;
count2 = gMyCounter16Bit;
}
tmpCnt = count1;
//...
}
</c>

Die avr-libc bietet ab Version 1.6.0(?) einige Hilfsfunktionen/Makros, mit der im Beispiel oben gezeigten Funktionalität, die zusätzlich auch sogenannte [http://en.wikipedia.org/wiki/Memory_barrier memory barriers] beinhalten. Diese stehen nach #include <util/atomic.h> zur Verfügung.
<c>
//...
#include <util/atomic.h>
//...

// analog zu cli, Zugriff, sei:
ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_FORCEON) {
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
}

// oder:

// analog zu Sicherung des SREG, cli, Zugriff und Zurückschreiben des SREG:
ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_RESTORESTATE) {
tmpCnt = gMyCounter16Bit;
}

//...
</c>

* siehe auch [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__util__atomic.html Dokumentation der avr-libc zu atomic.h]

== Interrupt-Routinen und Registerzugriffe ==

Falls Register sowohl im Hauptprogramm als auch in Interrupt-Routinen verändert werden, ist darauf zu achten, dass diese Zugriffe sich nicht überlappen. Nur wenige Anweisungen lassen sich in sogenannte "atomare" Zugriffe übersetzen, die nicht von Interrupt-Routinen unterbrochen werden können.

Zur Veranschaulichung eine Anweisung, bei der ein Bit und im Anschluss drei Bits in einem Register gesetzt werden:

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

int main(void)
{
//...
PORTA |= (1<<PA0);

PORTA |= (1<<PA2)|(1<<PA3)|(1<<PA4);
//...
}
</c>

Der Compiler übersetzt diese Anweisungen für einen ATmega128 bei Optimierungsstufe "S" nach:

<div class="code"><pre>
...
PORTA |= (1<<PA0);
d2: d8 9a sbi 0x1b, 0 ; 27 (a)

PORTA |= (1<<PA2)|(1<<PA3)|(1<<PA4);
d4: 8b b3 in r24, 0x1b ; 27 (b)
d6: 8c 61 ori r24, 0x1C ; 28 (c)
d8: 8b bb out 0x1b, r24 ; 27 (d)
...
</pre></div>

Das Setzen des einzelnen Bits wird bei eingeschalteter Optimierung für Register im unteren Speicherbereich in eine einzige Assembler-Anweisung (sbi) übersetzt und ist nicht anfällig für Unterbrechungen durch Interrupts. Die Anweisung zum Setzen von drei Bits wird jedoch in drei abhängige Assembler-Anweisungen übersetzt und bietet damit zwei "Angriffspunkte" für Unterbrechungen. Eine Interrupt-Routine könnte nach dem Laden des Ausgangszustands in den Zwischenspeicher (hier Register 24) den Wert des Registers ändern, z. B. ein Bit löschen. Damit würde der Zwischenspeicher nicht mehr mit dem tatsächlichen Zustand übereinstimmen aber dennoch nach der Bitoperation (hier ori) in das Register zurückgeschrieben.

Beispiel: PORTA sei anfangs 0b00000000. Die erste Anweisung (a) setzt Bit 0, PORTA ist danach 0b00000001. Nun wird im ersten Teil der zweiten Anweisung der Portzustand in ein Register eingelesen (b). Unmittelbar darauf (vor (c)) "feuert" ein Interrupt, in dessen Interrupt-Routine Bit 0 von PORTA gelöscht wird. Nach Verlassen der Interrupt-Routine hat PORTA den Wert 0b00000000. In den beiden noch folgenden Anweisungen des Hauptprogramms wird nun der zwischengespeicherte "alte" Zustand 0b00000001 mit 0b00011100 logisch-oder-verknüft (c) und das Ergebnis 0b00011101 in PortA geschrieben (d). Obwohl zwischenzeitlich Bit 0 gelöscht wurde, ist es nach (d) wieder gesetzt.

Lösungsmöglichkeiten:
* Register ohne besondere Vorkehrungen nicht in Interruptroutinen ''und'' im Hauptprogramm verändern.
* Interrupts vor Veränderungen in Registern, die auch in ISRs verändert werden, deaktivieren ("cli").
* Bits einzeln löschen oder setzen. sbi und cbi können nicht unterbrochen werden. Vorsicht: nur Register im unteren Speicherbereich sind mittels sbi/cbi ansprechbar. Der Compiler kann nur für diese sbi/cbi-Anweisungen generieren. Für Register außerhalb dieses Adressbereichs ("Memory-Mapped"-Register) werden auch zur Manipulation einzelner Bits abhängige Anweisungen erzeugt (lds,...,sts).

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Frequently asked Questions/Fragen Nr. 1 und 8. (Stand: avr-libc Vers. 1.0.4)

== Interruptflags löschen ==

Beim Löschen von Interruptflags haben AVRs eine Besonderheit, die auch im Datenblatt beschrieben ist: Es wird zum Löschen eine 1 in das betreffende Bit geschrieben.

Hinweis: Dazu '''nicht''' übliche bitweise VerODERung nehmen, sondern eine direkte Zuweisung machen ([http://www.mikrocontroller.net/topic/171148#1640133 Erklärung]).

== Was macht das Hauptprogramm? ==

Im einfachsten (Ausnahme-)Fall gar nichts mehr. Es ist also durchaus denkbar, ein Programm zu schreiben, welches in der main-Funktion lediglich noch die Interrupts aktiviert und dann in einer Endlosschleife verharrt. Sämtliche Funktionen werden dann in den ISRs abgearbeitet. Diese Vorgehensweise ist jedoch bei den meisten Anwendungen schlecht: man verschenkt eine Verarbeitungsebene und hat außerdem möglicherweise Probleme durch Interruptroutinen, die zu viel Verarbeitungszeit benötigen.

Normalerweise wird man in den Interruptroutinen nur die bei Auftreten des jeweiligen Interruptereignisses unbedingt notwendigen Operationen ausführen lassen. Alle weniger kritischen Aufgaben werden dann im Hauptprogramm abgearbeitet.

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Interrupts and Signals

= Sleep-Modes =

AVR Controller verfügen über eine Reihe von sogenannten [[Sleep Mode |''Sleep-Modes'']] ("Schlaf-Modi"). Diese ermöglichen es, Teile des Controllers abzuschalten. Zum Einen kann damit besonders bei Batteriebetrieb Strom gespart werden, zum Anderen können Komponenten des Controllers deaktiviert werden, die die Genauigkeit des Analog-Digital-Wandlers bzw. des Analog-Comparators negativ beeinflussen. Der Controller wird durch Interrupts aus dem Schlaf geweckt. Welche Interrupts den jeweiligen Schlafmodus beenden, ist einer Tabelle im Datenblatt des jeweiligen Controllers zu entnehmen.
Die Funktionen (eigentlich Makros) der avr-libc stehen nach Einbinden der header-Datei ''sleep.h'' zur Verfügung.

;set_sleep_mode (uint8_t mode): Setzt den Schlafmodus, der bei Aufruf von sleep() aktiviert wird. In sleep.h sind einige Konstanten definiert (z. B. SLEEP_MODE_PWR_DOWN). Die definierten Modi werden jedoch nicht alle von sämtlichten AVR-Controllern unterstützt.
;sleep_enable(): Aktiviert den gesetzten Schlafmodus, versetzt den Controller aber noch nicht in den Schlafmodus
;sleep_cpu(): Versetzt den Controller in den Schlafmodus .sleep_cpu wird im Prinzip durch die Assembler-Anweisung ''sleep'' ersetzt.
;sleep_disable(): Deaktiviert den gesetzten Schlafmodus
;sleep_mode(): Versetzt den Controller in den mit set_sleep_mode gewählten Schlafmodus. Das Makro entspricht sleep_enable()+sleep_cpu()+sleep_disable(), beinhaltet also nicht die Aktivierung von Interrupts (besser nicht benutzen).

Bei Anwendung von sleep_cpu() müssen Interrupts also bereits freigeben sein (sei()), da der Controller sonst nicht mehr "aufwachen" kann. sleep_mode() ist nicht geeignet für die Verwendung in ISR Interrupt-Service-Routinen, da bei deren Abarbeitung Interrupts global deaktiviert sind und somit auch die möglichen "Aufwachinterrupts". Abhilfe: stattdessen sleep_enable(), sei(), sleep_cpu(), sleep_disable() und evtl. cli() verwenden (vgl. Dokumentation der avr-libc).

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/sleep.h>

int main(void)
{
...

while (1) {
...
set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);
sleep_mode();

// Code hier wird erst nach Auftreten eines entsprechenden
// "Aufwach-Interrupts" verarbeitet
...
}
}
</c>

In älteren Versionenen der avr-libc wurden nicht alle AVR-Controller durch die sleep-Funktionen richtig angesteuert. Mit avr-libc 1.2.0 wurde die Anzahl der unterstützten Typen jedoch deutlich erweitert. Bei nicht-unterstützten Typen erreicht man die gewünschte Funktionalität durch direkte "[[Bitmanipulation]]" der entsprechenden Register (vgl. Datenblatt) und Aufruf des Sleep-Befehls via Inline-Assembler oder sleep_cpu():

<c>
#include <avr/io.h>
...
// Sleep-Mode "Power-Save" beim ATmega169 "manuell" aktivieren
SMCR = (3<<SM0) | (1<<SE);
asm volatile ("sleep"::); // alternativ sleep_cpu() aus sleep.h
...
</c>

== Sleep Modi ==
Zu beachten ist, dass unterschiedliche Prozessoren aus der AVR Familie unterschiedliche Sleep-Modi unterstützen oder nicht unterstützen. Auskunft über die tatsächlichen Gegebenheiten gibt, wie immer, das zum Prozessor gehörende Datenblatt. Die unterschiedlichen Modi unterscheiden sich dadurch, welche Bereiche des Prozessors abgeschaltet werden. Damit korrespondiert unmittelbar welche Möglichkeiten es gibt, den Prozessor aus den jeweiligen Sleep Modus wieder aufzuwecken.

;Idle Mode (SLEEP_MODE_IDLE): Die CPU kann durch SPI, USART, Analog Comperator, ADC, TWI, Timer, Watchdog und irgendeinen anderen Interrupt wieder aufgeweckt werden.

;ADC Noise Reduction Mode (SLEEP_MODE_ADC): In diesem Modus liegt das Hauptaugenmerk darauf, die CPU soweit stillzulegen, dass der ADC möglichst keine Störungen aus dem inneren der CPU auffangen kann. Aufwachen aus diesem Modus kann ausgelöst werden durch den ADC, externe Interrupts, TWI, Timer und Watchdog.

;Power-Down Mode (SLEEP_MODE_PWR_DOWN): In diesem Modus wird ein externer Oszillator (Quarz, Quarzoszillator) gestoppt. Geweckt werden kann die CPU durch einen externen Level Interrupt, TWI, Watchdog, Brown-Out-Reset

;Power-Save-Mode (SLEEP_MODE_PWR_SAVE): Power-Save ist identisch zu Power-Down mit einer Ausnahme: Ist der Timer 2 auf die Verwendung eines externen Taktes konfiguriert, so läuft dieser Timer auch im Power-Save weiter und kann die CPU mit einem Interrupt aufwecken.

;Standby-Mode (SLEEP_MODE_STANDBY, SLEEP_MODE_EXT_STANDBY): Voraussetzung für den Standby-Modus ist die Verwendung eines Quarzes oder eines Quarzoszillators (also einer externen Taktquelle). Ansonsten ist dieser Modus identisch zum Power-Down Modus. Vorteil dieses Modus ist eine kürzere Aufwachzeit.

Siehe auch:
* [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/Power Management and Sleep-Modes
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/96369#832712 Forenbeitrag] zur "Nichtverwendung" von sleep_mode in ISRs.

= Zeiger =
Zeiger (engl. /pointer/), d.h. Variablen, die die Adresse von Daten oder Funktionen enthalten, belegen 16 bits. Das hängt mit dem addressierbaren Speicherbereich zusammen, und gcc reserviert dann den entsprechenden Platz.
Ggf. ist es also günstiger, Indizes auf Arrays (Listen) zu verwenden, so dass der GCC für die Zeigerarithmetik den erforderlichen RAM nur temporär benötigt.

Siehe auch: [[Zeiger]]

= Speicherzugriffe =

Atmel AVR-Controller verfügen typisch über drei Speicher:

* [[RAM]]: Im RAM (genauer statisches RAM/SRAM) wird vom gcc-Compiler Platz für Variablen reserviert. Auch der Stack befindet sich im RAM. Dieser Speicher ist "flüchtig", d.h. der Inhalt der Variablen geht beim Ausschalten oder einem Zusammenbruch der Spannungsversorgung verloren.

* Programmspeicher: Ausgeführt als FLASH-Speicher, seitenweise wiederbeschreibbar. Darin ist das Anwendungsprogramm abgelegt.

* [[EEPROM]]: Nichtflüchtiger Speicher, d.h. der einmal geschriebene Inhalt bleibt auch ohne Stromversorgung erhalten. Byte-weise schreib/lesbar. Im EEPROM werden typischerweise gerätespezifische Werte wie z. B. Kalibrierungswerte von Sensoren abgelegt.

Einige AVRs besitzen keinen RAM-Speicher, lediglich die Register können als "Arbeitsvariablen"
genutzt werden. Da die Anwendung des avr-gcc auf solch "kleinen" Controllern ohnehin selten sinnvoll ist und auch nur bei einigen RAM-losen Typen nach [http://lightner.net/avr/ATtinyAvrGcc.html "Bastelarbeiten"] möglich ist, werden diese Controller hier nicht weiter berücksichtigt. Auch EEPROM-Speicher ist nicht auf allen Typen verfügbar. Generell sollten die nachfolgenden Erläuterungen auf alle ATmega-Controller und die größeren AT90-Typen übertragbar sein. Für die Typen ATtiny2313, ATtiny26 und viele weitere der "ATtiny-Reihe" gelten die Ausführungen ebenfalls.

Siehe auch:
* [[Binäre Daten zum Programm hinzufügen]]
== RAM ==

Die Verwaltung des RAM-Speichers erfolgt durch den Compiler, im Regelfall ist beim Zugriff auf Variablen im RAM nichts Besonderes zu beachten. Die Erläuterungen in jedem brauchbaren C-Buch gelten auch für den vom avr-gcc-Compiler erzeugten Code.

Um Speicher dynamisch (während der Laufzeit) zu reservieren, kann '''malloc()''' verwendet werden. malloc(size) "alloziert" (~reserviert) einen gewissen Speicherblock mit '''size''' Bytes. Ist kein Platz für den neuen Block, wird NULL (0) zurückgegeben.

Wird der angelegte Block zu klein (groß), kann die Größe mit realloc() verändert werden. Den allozierten Speicherbereich kann man mit free() wieder freigeben. Wenn das Freigeben eines Blocks vergessen wird spricht man von einem "Speicherleck" (memory leak).

malloc() legt Speicherblöcke im '''Heap''' an, belegt man zuviel Platz, dann wächst der Heap zu weit nach oben und überschreibt den Stack, und der Controller kommt in Teufels Küche. Das kann leider nicht nur passieren wenn man insgesamt zu viel Speicher anfordert, sondern auch wenn man Blöcke unterschiedlicher Größe in ungünstiger Reihenfolge alloziert/freigibt (siehe Artikel [[Heap-Fragmentierung]]). Aus diesem Grund sollte man malloc() auf Mikrocontrollern sehr sparsam (am besten gar nicht) verwenden.

Beispiel zur Verwendung von malloc():
<c>
#include <stdlib.h>

void foo(void) {
// neuen speicherbereich anlegen,
// platz für 10 uint16
uint16_t* pBuffer = malloc(10 * sizeof(uint16_t));

// darauf zugreifen, als wärs ein gewohnter Buffer
pBuffer[2] = 5;

// Speicher (unbedingt!) wieder freigeben
free(pBuffer);
}
</c>

Wenn (wie in obigem Beispiel) dynamischer Speicher nur für die Dauer einer Funktion benötigt und am Ende wieder freigegeben wird, bietet es sich an, statt malloc() '''alloca()''' zu verwenden. Der Unterschied zu malloc() ist, dass der Speicher auf dem Stack reserviert wird, und beim Verlassen der Funktion automatisch wieder freigegeben wird. Es kann somit kein Speicherleck und keine Fragmentierung entstehen.

siehe auch:
* http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/malloc.html

== Programmspeicher (Flash) ==

Ein Zugriff auf Konstanten im Programmspeicher ist mittels avr-gcc nicht "transparent" möglich. D.h. es sind besondere Zugriffsfunktionen erforderlich, um Daten aus diesem Speicher zu lesen. Grundsätzlich basieren alle Zugriffsfunktionen auf der Assembler-Anweisung lpm (load program memory, bei AVR Controllern mit mehr als 64kB Flash auch elpm). Die Standard-Laufzeitbibliothek des avr-gcc (die avr-libc) stellt diese Funktionen nach Einbinden der Header-Datei pgmspace.h zur Verfügung. Mit diesen Funktionen können einzelne Bytes, Datenworte (16bit) und Datenblöcke gelesen werden.

Deklarationen von Variablen im Flash-Speicher werden durch das "Attribut" PROGMEM ergänzt. Lokale Variablen (eigentlich Konstanten) innerhalb von Funktionen können ebenfalls im Programmspeicher abgelegt werden. Dazu ist bei der Definition jedoch ein ''static'' voranzustellen, da solche "Variablen" nicht auf dem Stack bzw. (bei Optimierung) in Registern verwaltet werden können. Der Compiler "wirft" eine Warnung falls static fehlt.

<c>
#include <stdint.h>
#include <avr/pgmspace.h>

/* Byte */
const uint8_t pgmFooByte PROGMEM = 123;

/* Wort */
const uint16_t pgmFooWort PROGMEM = 12345;

/* Byte-Array */
const uint8_t pgmFooByteArray1[] PROGMEM = { 18, 3 ,70 };
const uint8_t pgmFooByteArray2[] PROGMEM = { 30, 7 ,79 };

/* Zeiger */
const uint8_t * const pgmPointerToArray1 PROGMEM = pgmFooByteArray1;
const uint8_t * const pgmPointerArray[] PROGMEM = { pgmFooByteArray1, pgmFooByteArray2 };

void foo(void)
{
static const uint8_t pgmTestByteLocal PROGMEM = 0x55;
static const char pgmTestStringLocal[] PROGMEM = "im Flash";
// so nicht (static fehlt)
// char pgmTestStringLocalFalsch [] PROGMEM = "so nicht";
}
</c>

=== Byte lesen ===

Mit der Funktion pgm_read_byte aus pgmspace.h erfolgt der Zugriff auf die Daten. Parameter der Funktion ist die Adresse des Bytes im Flash-Speicher.

<c>
#include <avr/pgmspace.h>

const uint8_t pgmFooByte PROGMEM = 123;
const uint8_t pgmFooByteArray1[] PROGMEM = { 18, 3, 70 };

void foo (coid)
// Wert der Ram-Variablen myByte auf den Wert von pgmFooByte setzen:
uint8_t myByte;

myByte = pgm_read_byte (&pgmFooByte);
// myByte hat nun den Wert 123

// Schleife ueber ein Array aus Byte-Werten im Flash
uint8_t i;

for (i = 0; i < 3; i++)
{
myByte = pgm_read_byte (&pgmFooByteArray1[i]);
// mach was mit myByte
}
</c>

=== Wort lesen ===

Für "einfache" 16-Bit breite Variablen erfolgt der Zugriff analog zum Byte-Beispiel, jedoch mit der Funktion <code>pgm_read_word</code>:

<c>
const uint16_t pgmFooWort PROGMEM = 12345;

uint16_t myWord = pgm_read_word (&pgmFooWort);
</c>

Zeiger auf Werte im Flash sind ebenfalls 16 Bits "groß".
Damit ist der mögliche Speicherbereich für "Flash-Konstanten" auf 64kB begrenzt.<ref>Einige avr-libc/pgmspace-Funktionen ermöglichen den Lesezugriff auf den gesamten Flash-Speicher, intern via Assembler Anweisung ELPM. Die Initialisierungswerte des Speicherinhalts jenseits der 64kB-Marke müssen dann jedoch auf anderem Weg angelegt werden, d.h. nicht per PROGMEM; evtl. eigene Section und Linker-Optionen. Alt und nicht ganz korrekt: Die avr-libc pgmspace-Funktionen unterstützen nur die unteren 64kB Flash bei Controllern mit mehr als 64kB.</ref>

<c>
const uint8_t *ptrToArray;

ptrToArray = (const uint8_t*) pgm_read_word (&pgmPointerToArray1);
// ptrToArray enthält nun die Startadresse des Byte-Arrays pgmFooByteArray1
// Allerdings würde ein direkter Zugriff mit diesem Pointer (z. B. temp=*ptrToArray)
// nicht den Inhalt von pgmFooByteArray1[0] liefern, sondern von einer Speicherstelle
// im RAM, die die gleiche Adresse hat wie pgmFooByteArray1[0]
// Daher muss nun die Funktion pgm_read_byte() benutzt werden, die die in ptrToArray
// enthaltene Adresse benutzt und auf das Flash zugreift.

for (i = 0; i < 3; i++)
{
myByte = pgm_read_byte (ptrToArray+i);
// mach was mit myByte... (18, 3, 70)
}

ptrToArray = (const uint8_t*) pgm_read_word (&pgmPointerArray[1]);

// ptrToArray enthält nun die Adresse des ersten Elements des Byte-Arrays pgmFooByteArray2
// da im zweiten Element des Pointer-Arrays pgmPointerArray die Adresse
// von pgmFooByteArray2 abgelegt ist

for (i = 0; i < 3; i++)
{
myByte = pgm_read_byte (ptrToArray+i);
// mach was mit myByte... (30, 7, 79)
}
</c>

=== Block lesen ===
In den Standard-Flash Funktionen ist keine der pgm_read_xxxx Nomenklatur folgenden Funktion enthalten, die einen kompletten Block ausliest. Die enstprechende Funktion ist eine Variante von memcpy und heißt memcpy_P().

Was diese Funktion im Prinzip macht, ist einfach in einer Schleife pgm_read_byte zu benutzen, um einen Speicherblock von der Quelladresse im Flash an eine Zieladresse im SRAM zu kopieren.

<c>
void pgm_read_block( uint8_t* pTarget, const uint8_t* pSource, size_t len )
{
size_t i;

for( i = 0; i < len; ++i )
*pTarget++ = pgm_read_byte( pSource++ );
}
</c>

Damit ist es dann natürlich kein Problem mehr ganze Arrays oder Strukturen aus dem Flash in das SRAM zu übertragen.

=== Strings lesen ===
Strings sind in C nichts anderes als eine Abfolge von Zeichen. Der prinzipielle Weg ist daher identisch zu "Bytes lesen", wobei allerdings auf die [http://www.mikrocontroller.net/articles/FAQ#Wie_funktioniert_String-Verarbeitung_in_C.3F Besonderheiten von Strings] wie 0-Terminierung geachtet werden muss, bzw. diese zur Steuerung einer Schleife über die Zeichen im String ausgenutzt werden kann

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/pgmspace.h>

const char pgmString[] PROGMEM = "Hello world";

int main()
{
char c;
const char* addr;

addr = pgmString;
while (c = pgm_read_byte (addr++), c != '\0')
{
// mach was mit c
}
}
</c>

Zur Unterstützung des Programmierers steht das Repertoir der str-Funktionen auch in jeweils eine Variante zur Verfügung, die mit dem Flash-Speicher arbeiten kann. Die Funktionsnamen tragen den Suffix <tt>_P</tt>.

<c>
#include <avr/io.h>
#include <avr/pgmspace.h>

const char pgmString[] PROGMEM = "Hallo world";

void foo (void)
{
char string[40];

strcpy_P (string, pgmString);
}
</c>

=== Float lesen ===

Auch um floats zu lesen gibt es ein Makros:

<c>
float pgmFloatArray[3] PROGMEM = {1.1, 2.2, 3.3};

void read_float (void)
{
int i;
float f;

for (i=0; i<3; i++)
{
// entspricht f = pgmFloatArray[i];
f = pgm_read_float (&pgmFloatArray[i]);
// mach was mit f
}
}
</c>

TODO: Beispiele für structs und pointer aus Flash auf struct im Flash (menues, state-machines etc.). Eine kleine Einleitung insbesondere auch in Bezug auf die auftretenden Schwierigkeiten liefert [http://www.mail-archive.com/avr-gcc-list@nongnu.org/msg05652.html].

=== Array aus Strings im Flash-Speicher ===

Arrays aus Strings im Flash-Speicher werden in zwei Schritten angelegt: Zuerst die einzelnen Elemente des Arrays und im Anschluss ein Array, in dem die Startaddressen der Strings abgelegt werden. Zum Auslesen wird zuerst die Adresse des i-ten Elements aus dem Array im Flash-Speicher gelesen, die im Anschluss dazu genutzt wird, auf das Element (den String) selbst zuzugreifen.

<c>
#include <stdint.h>
#include <avr/pgmspace.h>

const char str1[] PROGMEM = "first_A";
const char str2[] PROGMEM = "second_A";
const char str3[] PROGMEM = "third_A";

const char * const strarray1[] PROGMEM =
{
str1,
str2,
str3
};

static char work[20];

void read_strings (void)
{
size_t i;

for (i = 0; i < sizeof (strarray1) / sizeof (strarray1[0]); i++)
{
size_t j, len;

// setze Pointer auf die Addresse des i-ten Elements des
// Flash-Arrays (str1, str2, ...)
const char *pstrflash = (const char*) pgm_read_word (&strarray1[i]);

// kopiere den Inhalt der Zeichenkette von der
// in pstrflash abgelegten Adresse in das work-Array
// analog zu strcpy( work, strarray1[i]) wenn alles im RAM
strcpy_P (work, pstrflash);

// Gleichbedeutend damit:
strcpy_P (work, (const char*) pgm_read_word (&strarray1[i]));

// Zeichen-fuer-Zeichen
len = strlen_P (&strarray1[i]);

// <= da auch das Stringende-Zeichen kopiert werden soll
for (j = 0; j <= len; j++)
{
// analog zu work[j] = strarray[i][j] wenn alles im RAM
work[i] = (char) pgm_read_byte (pstrflash++);
}
}
}
</c>

Siehe dazu auch die avr-libc FAQ: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/FAQ.html#faq_rom_array How do I put an array of strings completely in ROM?]

=== Vereinfachung für Zeichenketten (Strings) im Flash ===

Zeichenketten können innerhalb des Quellcodes als "Flash-Konstanten" ausgewiesen werden. Dazu dient das Makro PSTR aus pgmspace.h. Dies erspart die getrennte Deklaration mit PROGMEM-Attribut.

<c>
#include <string.h>
#include <avr/pgmspace.h>

#define MAXLEN 30

char StringImFlash[] PROGMEM = "Erwin Lindemann";
char StringImRam[MAXLEN];

void read_string (void)
{
strcpy (StringImRam, "Mueller-Luedenscheidt");

if (!strncmp_P (StringImRam, StringImFlash, 5))
{
// mach was, wenn die ersten 5 Zeichen identisch - hier nicht
}
else
{
// der Code hier wuerde ausgefuehrt
}

if (!strncmp_P (StringImRam, PSTR("Mueller-Schmitt"), 5))
{
// der Code hier wird ausgefuehrt, wenn die ersten
// 5 Zeichen uebereinstimmen
}
else
{
// wird bei Nicht-Uebereinstimmung ausgefuehrt
}
}
</c>

Aber Vorsicht: Ersetzt man zum Beispiel
<c>
// Daten im "Flash"
const char flashText[] PROGMEM = "mit[]";
</c>
durch
<c>
// Hier wird "mit*" im RAM angelegt und flashPointer
// enthaelt die Adresse
const char* const flashPointer PROGMEM = "mit*";
</c>
dann kann es zu Problemen kommen.

Übergibt man Zeichenketten, die im Flash abglegt sind an eine Funktion – also die Adresse des ersten Zeichens – so muss die Funktion entsprechend programmiert sein. Die Funktion selbst hat keine Möglichkeit zu unterscheiden, ob es sich um eine Flash-Adresse oder ein RAM-Adresse handelt. Die avr-libc und viele andere avr-gcc-Bibliotheken halten sich an die Konvention, dass Namen von Funktionen, die Flash-Adressen erwarten, mit dem Suffix <code>_P</code> versehen sind.

Eine Funktion, die einen im Flash abgelegten String z. B. an eine UART ausgibt, würde dann so aussehen:

<c>
void uart_puts_p (const char *text)
{
char zeichen;

while ((zeichen = pgm_read_byte (text)))
{
// so lange, wie mittels pgm_read_byte nicht das Stringende
// gelesen wurde: gib dieses Zeichen aus

uart_putc (Zeichen);
text++;
}
}
</c>

Von einigen Bibliotheken werden Makros definiert, die "automatisch" ein PSTR bei Verwendung einer Funktion einfügen. Ein Blick in den Header-File der Bibliothek zeigt, ob dies der Fall ist. Ein Beispiel aus P. Fleurys lcd-Library:

<c>
// Ausschnitt aus dem Header-File lcd.h der "Fleury-LCD-Lib."
extern void lcd_puts_p (const char *progmem_s);
#define lcd_puts_P(__s) lcd_puts_p(PSTR(__s))

// in einer Anwendung
#include <avr/pgmspace.h>
#include <string.h>
#include "lcd.h"

const char StringImFlash[] PROGMEM = "Erwin Lindemann";

void my_write (coid)
{
lcd_puts_p (StringImFlash);
lcd_puts_P ("Dr. Kloebner");
}</c>

=== Flash in der Anwendung schreiben ===

Bei AVRs mit "self-programming"-Option – auch bekannt als [[Bootloader]]-Support – können Teile des Flash-Speichers vom Anwendungsprogramm beschrieben werden. Dies ist nur möglich, wenn die Schreibfunktion in einem besonderen Speicherbereich, der boot-section des Programmspeichers/Flash, abgelegt ist.

Bei einigen kleinen AVRs gibt es keine gesonderte Boot-Section, bei diesen kann der Flashspeicher von jeder Stelle des Programms geschrieben werden. Für Details sei hier auf das jeweilige Controller-Datenblatt und die Erläuterungen zum Modul boot.h der avr-libc verwiesen. Es existieren auch Application-Notes dazu bei atmel.com, die auf avr-gcc-Code übertragbar sind.

Siehe auch:
* Forumsbeitrag [http://www.mikrocontroller.net/topic/163632#1561622 Daten in Programmspeicher speichern]

=== Warum so kompliziert? ===

Zu dem Thema, warum die Verabeitung von Werten aus dem Flash-Speicher so kompliziert ist, sei hier nur kurz erläutert: Die Harvard-Architektur des AVR weist getrennte Adressräume für Programm(Flash)- und Datenspeicher(RAM) auf. Der C-Standard und der gcc-Compiler sehen keine unterschiedlichen Adressräume vor.

Hat man zum Beispiel eine Funktion string_an_uart(const char* s) und übergibt an diese Funktion die Adresse einer Zeichenkette, z. B. 0x01fe, weiß die Funktion nicht, ob die Adresse auf den Flash-Speicher oder den/das RAM zeigt. Allein aus dem Pointer-Wert, alse dem Zahlenwert, kann nicht auf den Ort der ABlage geschlossen werden.

Einige AVR-Compiler bilden die Harvard-Architektur ab, indem sie in einen Pointer nicht nur die Adresse speichern, sondern auch den Ablageort wie ''Flash'' oder ''RAM''. Aufruf einer Funktion wird dann bei Pointer-Parametern neben der Adresse auch der Speicherbereich, auf den der Pointer zeigt, übergeben. Dies hat jedoch auch Nachteile, denn bei jeden Zugriff über einen Zeiger muss zur ''Laufzeit'' entschieden werden, wie der Zugriff auszuführen ist und entsprechend länglicher und langsamer Code ausgeführt werden.

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitte Modules/Program Space String Utilities und Abschnitt Modules/Bootloader Support Utilities

== EEPROM ==

Man beachte, dass der EEPROM-Speicher nur eine begrenzte Anzahl von Schreibzugriffen zulässt. Beschreibt man eine EEPROM-Zelle öfter als die im Datenblatt zugesicherte Anzahl (typisch 100.000), wird die Funktion der Zelle nicht mehr garantiert.
Dies gilt für jede einzelne Zelle. Bei geschickter Programmierung (z. B. Ring-Puffer), bei der die zu beschreibenden Zellen regelmäßig gewechselt werden, kann man eine deutlich höhere Anzahl an Schreibzugriffen, bezogen auf den Gesamtspeicher, erreichen.

Schreib- und Lesezugriffe auf den EEPROM-Speicher erfolgen über die im Modul eeprom.h definierten Funktionen. Mit diesen Funktionen können einzelne Bytes, Datenworte (16bit) und Datenblöcke geschrieben und gelesen werden.

Bei Nutzung des EEPROMs ist zu beachten, dass vor dem Zugriff auf diesen Speicher abgefragt wird, ob der Controller die vorherige EEPROM-Operation abgeschlossen hat. Die avr-libc-Funktionen beinhalten diese Prüfung, man muss sie nicht selbst implementieren. Man sollte auch verhindern, dass der Zugriff durch die Abarbeitung einer Interrupt-Routine unterbrochen wird, da bestimme Befehlsabfolgen vorgegeben sind, die innerhalb weniger Taktzyklen aufeinanderfolgen müssen ("timed sequence"). Auch dies muss bei Nutzung der Funktionen aus der avr-libc/eeprom.h-Datei nicht selbst implementiert werden. Innerhalb der Funktionen werden Interrupts vor der "EEPROM-Sequenz" global deaktiviert und im Anschluss, falls vorher auch schon eingeschaltet, wieder aktiviert.

Um eine Variable im EEPROM anzulegen, stellt die avr-libc das Makro EEMEM zur Verfügung<ref>In älteren Versionen der avr-libc ist EEMEM noch nicht vorhanden, und man kann sich folgendermassen behelfen:
<c>
#include <avr/eeprom.h>

#ifndef EEMEM
#define EEMEM __attribute__((section (".eeprom")))
#endif
</c></ref>, das analog zu PROGMEM verwendet wird.

<c>
#include <stdint.h>
#include <avr/eeprom.h>

/* Byte */
uint8_t eeFooByte EEMEM = 123;

/* Wort */
uint16_t eeFooWord EEMEM = 12345;

/* float */
float eeFooFloat EEMEM;

/* Byte-Array */
uint8_t eeFooByteArray1[] EEMEM = { 18, 3, 70 };
uint8_t eeFooByteArray2[] EEMEM = { 30, 7, 79 };

/* 16-bit unsigned short feld */
uint16_t eeFooWordArray1[4] EEMEM;
</c>

=== Bytes lesen/schreiben ===

Die avr-libc Funktion zum Lesen eines Bytes heißt eeprom_read_byte. Parameter ist die Adresse des Bytes im EEPROM. Geschrieben wird über die Funktion eeprom_write_byte mit den Parametern Adresse und Inhalt. Anwendungsbeispiel:

<c>
#define EEPROM_DEF 0xFF

void eeprom_example (void)
{
uint8_t myByte;

// myByte lesen (Wert = 123)
myByte = eeprom_read_byte (&eeFooByte);

// der Wert 99 wird im EEPROM an die Adresse der
// Variablen eeFooByte geschrieben
myByte = 99;
eeprom_write_byte(&eeFooByte, myByte); // schreiben

myByte = eeprom_read_byte &eeFooByteArray1[1]);
// myByte hat nun den Wert 3

// Beispiel zur "Sicherung" gegen leeres EEPROM nach "Chip Erase"
// (z. B. wenn die .eep-Datei nach Programmierung einer neuen Version
// des Programms nicht in den EEPROM uebertragen wurde und EESAVE
// deaktiviert ist (unprogrammed/1)
//
// Vorsicht: wenn EESAVE "programmed" ist, hilft diese Sicherung nicht
// weiter, da die Speicheraddressen in einem neuen/erweiterten Programm
// moeglicherweise verschoben wurden. An der Stelle &eeFooByte steht
// dann u.U. der Wert einer anderen Variable aus einer "alten" Version.

uint8_t fooByteDefault = 222;
if ((myByte = eeprom_read_byte (&eeFooByte)) == EEPROM_DEF)
{
myByte = fooByteDefault;
}
}
</c>

=== Wort lesen/schreiben ===

Schreiben und Lesen von Datenworten erfolgt analog zur Vorgehensweise bei Bytes:

<c>
// lesen
uint16_t myWord = eeprom_read_word (&eeFooWord);

// schreiben
eeprom_write_word (&eeFooWord, 2222);
</c>

=== Block lesen/schreiben ===

Lesen und Schreiben von Datenblöcken erfolgt über die Funktionen <code>eeprom_read_block()</code> bzw. <code>eeprom_write_block()</code>. Die Funktionen erwarten drei Parameter: die Adresse der Quell- bzw. Zieldaten im RAM, die EEPROM-Addresse und die Länge des Datenblocks in Bytes als <code>size_t</code>.
<c>
uint8_t myByteBuffer[3];
uint16_t myWordBuffer[4];

void eeprom_block_example (void)
{
/* Datenblock aus EEPROM lesen */

/* liest 3 Bytes ab der von eeFooByteArray1 definierten EEPROM-Adresse
in das RAM-Array myByteBuffer */
eeprom_read_block (myByteBuffer, eeFooByteArray1, 3);

/* dito mit etwas Absicherung betr. der Länge */
eeprom_read_block (myByteBuffer, eeFooByteArray1, sizeof(myByteBuffer));

/* und nun mit 16-Bit Array */
eeprom_read_block (myWordBuffer, eeFooWordArray1, sizeof(myWordBuffer));

/* Datenblock in EEPROM schreiben */
eeprom_write_block (myByteBuffer, eeFooByteArray1, sizeof(myByteBuffer));
eeprom_write_block (myWordBuffer, eeFooWordArray1, sizeof(myWordBuffer));
}
</c>

Ebenso lassen sich float-Variablen lesen und schreiben:

<c>
#include <avr/eeprom.h>

float eeFloat EEMEM = 12.34f;

float void eeprom_float_example (float value)
{
/* float in EEPROM schreiben */
eeprom_write_float (&eeFloat, value);

/* float aus EEPROM lesen */
return eeprom_read_float (&eeFloat);
}</c>

=== EEPROM-Speicherabbild in .eep-Datei ===

Mit den zum Compiler gehörenden Werkzeugen kann der aus den Variablendeklarationen abgeleitete EEPROM-Inhalt in eine Datei geschrieben werden. Die übliche Dateiendung ist .eep, Daten im Intel Hex-Format. Damit können Standardwerte für den EEPROM-Inhalt im Quellcode definiert werden.

Makefiles nach WinAVR/MFile-Vorlage enthalten bereits die notwendigen Einstellungen, siehe dazu die Erläuterungen im [[AVR-GCC-Tutorial/Exkurs Makefiles|Exkurs Makefiles]].

Der Inhalt der eep-Datei muss ebenfalls zum Mikrocontroller übertragen werden, wenn die Initialisierungswerte aus der Deklaration vom Programm erwartet werden. Ansonsten enthält der EEPROM-Speicher nach der Übertragung des Programmers mittels ISP abhängig von der Einstellung der EESAVE-Fuse<ref>vgl. Datenblatt Abschnitt Fuse Bits</ref> nicht die korrekten Werte:
; EESAVE = 0 (programmed): Die Daten im EEPROM bleiben erhalten. Werden sie nicht neu geschrieben, so enthält das EEPROM evtl. Daten, die nicht mehr zum Programm passen.
; EESAVE = 1 (unprogrammed): Beim Programmieren werden die Daten im EEPROM gelosch, also auf 0xff gesetzt.

Als Sicherung kann man im Programm nochmals die Standardwerte vorhalten, beim Lesen auf 0xFF prüfen und gegebenfalls einen Standardwert nutzen.

=== Direkter Zugriff auf EEPROM-Adressen ===

Will man direkt auf bestimmte EEPROM Adressen zugreifen, dann sind folgende Funktionen hilfreich, um sich die Typecasts zu ersparen:

<c>
#include <avr/eeprom.h>

// Byte aus dem EEPROM lesen
uint8_t EEPReadByte(uint16_t addr)
{
return eeprom_read_byte((uint8_t *)addr);
}

// Byte in das EEPROM schreiben
void EEPWriteByte(uint16_t addr, uint8_t val)
{
eeprom_write_byte((uint8_t *)addr, val);
}
</c>

oder als Makro:

<c>
#define EEPReadByte(addr) eeprom_read_byte((uint8_t *)addr)
#define EEPWriteByte(addr, val) eeprom_write_byte((uint8_t *)addr, val)
</c>

Verwendung:

<c>
EEPWriteByte(0x20, 128); // Byte an die Adresse 0x20 schreiben
...
Val=EEPReadByte(0x20); // EEPROM-Wert von Adresse 0x20 lesen
</c>

=== Bekannte Probleme bei den EEPROM-Funktionen ===

Vorsicht: Bei alten Versionen der avr-libc wurden nicht alle AVR Controller unterstützt. Z.B. bei der avr-libc Version 1.2.3 insbesondere bei AVRs "der neuen Generation" (ATmega48/88/168/169) funktionieren die Funktionen nicht korrekt (Ursache: unterschiedliche Speicheradressen der EEPROM-Register). In neueren Versionen (z. B. avr-libc 1.4.3 aus WinAVR 20050125) wurde die Zahl der unterstüzten Controller deutlich erweitert und eine Methode zur leichten Anpassung an zukünftige Controller eingeführt.

In jedem Datenblatt zu AVR-Controllern mit EEPROM sind kurze Beispielecodes für den Schreib- und Lesezugriff enthalten. Will oder kann man nicht auf die neue Version aktualisieren, kann der dort gezeigte Code auch mit dem avr-gcc (ohne avr-libc/eeprom.h) genutzt werden ("copy/paste", gegebenfalls Schutz vor Unterbrechnung/Interrupt ergänzen ''uint8_t sreg; sreg=SREG; cli(); [EEPROM-Code] ; SREG=sreg; return;'', siehe Abschnitt Interrupts). Im Zweifel hilft ein Blick in den vom Compiler erzeugten Assembler-Code (lst/lss-Dateien).

* siehe auch: [http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/index.html Dokumentation der avr-libc] Abschnitt Modules/EEPROM handling

=== EEPROM Register ===
Um das EEPROM anzusteuern, sind drei Register von Bedeutung:
;EEAR: Hier werden die Adressen eingetragen zum Schreiben oder Lesen. Dieses Register unterteilt sich nochmal in EEARH und EEARL, da in einem 8-Bit-Register keine 512 Adressen adressiert werden können.
;EEDR: Hier werden die Daten eingetragen, die geschrieben werden sollen, bzw. es enthält die gelesenen Daten.
;EECR: Ist das Kontrollregister für das EEPROM

Das EECR steuert den Zugriff auf das EEPROM und ist wie folgt aufgebaut:

:{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ '''Aufbau des EECR-Registers'''
|-
!Bit
| 7 || 6 || 5 || 4 || 3 || 2 || 1 || 0
|-
! Name
| - || - || - ||- || EERIE || EEMWE || EEWE || EERE
|-
! Read/Write
| R || R || R || R || R/W || R/W || R/W || R/W
|-
!Init Value
| 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0
|}

'''Bedeutung der Bits'''

;Bit 4-7: nicht belegt

;Bit 3 (EERIE): ''EEPROM Ready Interrupt Enable'': Wenn das Bit gesetzt ist und globale Interrupts erlaubt sind in Register SREG (Bit 7), wird ein Interrupt ausgelöst nach Beendigung des Schreibzyklus (EEPROM Ready Interrupt). Ist einer der beiden Bits 0, wird kein Interrupt ausgelöst.

;Bit 2 EEMWE): ''EEPROM Master Write Enable'': Dieses Bit bestimmt, dass, wenn EEWE = 1 gesetzt wird (innerhalb von 4 Taktzyklen), das EEPROM beschrieben wird mit den Daten in EEDR bei Adresse EEAR. Wenn EEMWE = 0 ist und EEWE = 1 gesetzt wird, hat das keine Auswirkungen. Der Schreibvorgang wird dann nicht ausgelöst. Nach 4 Taktzyklen wird das Bit EEMWE automatisch wieder auf 0 gesetzt. Dieses Bit löst den Schreibvorgang nicht aus, es dient sozusagen als Sicherungsbit für EEWE.

;Bit 1 (EEWE): ''EEPROM Write Enable'': Dieses Bit löst den Schreibvorgang aus, wenn es auf 1 gesetzt wird, sofern vorher EEMWE gesetzt wurde und seitdem nicht mehr als 4 Taktzyklen vergangen sind. Wenn der Schreibvorgang abgeschlossen ist, wird dieses Bit automatisch wieder auf 0 gesetzt und, sofern EERIE gesetzt ist, ein Interrupt ausgelöst. Ein Schreibvorgang sieht typischerweise wie folgt aus:
:# EEPROM-Bereitschaft abwarten (EEWE=0)
:# Adresse übergeben an EEAR
:# Daten übergeben an EEDR
:# Schreibvorgang auslösen in EECR mit Bit EEMWE=1 und EEWE=1
:# (Optional) Warten, bis Schreibvorgang abgeschlossen ist

;Bit 0 EERE: ''EEPROM Read Enable'': Wird dieses Bit auf 1 gesetzt wird das EEPROM an der Adresse in EEAR ausgelesen und die Daten in EEDR gespeichert. Das EEPROM kann nicht ausgelesen werden, wenn bereits eine Schreiboperation gestartet wurde. Es ist daher zu empfehlen, die Bereitschaft vorher zu prüfen. Das EEPROM ist lesebereit, wenn das Bit EEWE=0 ist. Ist der Lesevorgang abgeschlossen, wird das Bit wieder auf 0 gesetzt, und das EEPROM ist für neue Lese- und Schreibbefehle wieder bereit. Ein typischer Lesevorgang kann wie folgt aufgebaut sein:
:# Bereitschaft zum Lesen prüfen (EEWE=0)
:# Adresse übergeben an EEAR
:# Lesezyklus auslösen mit EERE = 1
:# Warten, bis Lesevorgang abgeschlossen EERE = 0
:# Daten abholen aus EEDR

= Die Nutzung von sprintf und printf =

Um komfortabel, d.h. formatiert, Ausgaben auf ein Display oder die serielle Schnittstelle zu tätigen, bieten sich '''sprintf''' oder '''printf''' an.

Alle *printf-Varianten sind jedoch ziemlich speicherintensiv, und der Einsatz in einem Mikrocontroller mit knappem Speicher muss sorgsam abgewogen werden.

Bei '''sprintf''' wird die Ausgabe zunächst in einem Puffer vorbereitet und anschließend mit einfachen Funktionen zeichenweise ausgegeben. Es liegt in der Verantwortung des Programmierers, genügend Platz im Puffer für die erwarteten Zeichen bereitzuhalten.

<c>
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

// ...
// nicht dargestellt: Implementierung von uart_puts (vgl. Abschnitt UART)
// ...

uint16_t counter;

// Ausgabe eines unsigned Integerwertes
void uart_puti( uint16_t value )
{
uint8_t puffer[20];

sprintf( puffer, "Zählerstand: %u", value );
uart_puts( puffer );
}

int main()
{
counter = 5;

uart_puti( counter );
uart_puti( 42 );
}
</c>

Eine weitere elegante Möglichkeit besteht darin, den STREAM stdout (Standardausgabe) auf eine eigene Ausgabefunktion umzuleiten. Dazu wird dem Ausgabemechanismus der C-Bibliothek eine neue Ausgabefunktion bekannt gemacht, deren Aufgabe es ist, ein einzelnes Zeichen auszugeben. Wohin die Ausgabe dann tatsächlich stattfindet, ist Sache der Ausgabefunktion. Im Beispiel unten wird auf UART ausgegeben. Alle anderen, höheren Funktionen wie z. B. '''printf''', greifen letztendlich auf diese primitive Ausgabefunktion zurück.

<c>
#include <avr/io.h>
#include <stdio.h>

void uart_init(void);

// a. Deklaration der primitiven Ausgabefunktion
int uart_putchar(char c, FILE *stream);

// b. Umleiten der Standardausgabe stdout (Teil 1)
static FILE mystdout = FDEV_SETUP_STREAM( uart_putchar, NULL, _FDEV_SETUP_WRITE );

// c. Definition der Ausgabefunktion
int uart_putchar( char c, FILE *stream )
{
if( c == '\n' )
uart_putchar( '\r', stream );

loop_until_bit_is_set( UCSRA, UDRE );
UDR = c;
return 0;
}

void uart_init(void)
{
/* hier µC spezifischen Code zur Initialisierung */
/* des UART einfügen... s.o. im AVR-GCC-Tutorial */

// Beispiel:
//
// myAVR Board 1.5 mit externem Quarz Q1 3,6864 MHz
// 9600 Baud 8N1

#ifndef F_CPU
#define F_CPU 3686400
#endif
#define UART_BAUD_RATE 9600

// Hilfsmakro zur UBRR-Berechnung ("Formel" laut Datenblatt)
#define UART_UBRR_CALC(BAUD_,FREQ_) ((FREQ_)/((BAUD_)*16L)-1)

UCSRB |= (1<<TXEN) | (1<<RXEN); // UART TX und RX einschalten
UCSRC |= (1<<URSEL)|(3<<UCSZ0); // Asynchron 8N1

UBRRH = (uint8_t)( UART_UBRR_CALC( UART_BAUD_RATE, F_CPU ) >> 8 );
UBRRL = (uint8_t)UART_UBRR_CALC( UART_BAUD_RATE, F_CPU );
}

int main(void)
{
int16_t antwort = 42;
uart_init();

// b. Umleiten der Standardausgabe stdout (Teil 2)
stdout = &mystdout;

// Anwendung
printf( "Die Antwort ist %d.\n", antwort );
return 0;
}

// Quelle: avr-libc-user-manual-1.4.3.pdf, S.74
// + Ergänzungen
</c>

Sollen Fließkommazahlen ausgegeben werden, muss im Makefile eine andere (größere) Version der [[FAQ#Aktivieren_der_Floating_Point_Version_von_sprintf_beim_WinAVR_mit_AVR-Studio|printflib]] eingebunden werden.

= Anhang =

== Externe Referenzspannung des internen Analog-Digital-Wandlers ==

Die minimale (externe) Referenzspannung des ADC darf nicht beliebig niedrig sein, vgl. dazu das (aktuellste) Datenblatt des verwendeten Controllers. z. B. beim ATMEGA8 darf sie laut Datenblatt (S.245, Tabelle 103, Zeile "VREF") 2,0V nicht unterschreiten. HINWEIS: diese Information findet sich erst in der letzten Revision (Rev. 2486O-10/04) des Datenblatts.

Meiner  eigenen Erfahrung nach kann man aber (auf eigene Gefahr und natürlich nicht für Seriengeräte) durchaus noch ein klein wenig weiter heruntergehen, bei dem von mir unter die Lupe genommenen ATMEGA8L (also die Low-Voltage-Variante) funktioniert der ADC bei 5V Betriebsspannung mit bis zu VREF=1,15V hinunter korrekt, ab 1,1V und darunter digitalisiert er jedoch nur noch Blödsinn). Ich würde sicherheitshalber nicht unter 1,5V gehen und bei niedrigeren Betriebsspannungen mag sich die Untergrenze für VREF am Pin AREF ggf. nach oben'''(!)''' verschieben.

In der letzten Revision des Datenblatts ist außerdem korrigiert, dass ADC4 und ADC5 sehr wohl 10 Bit Genauigkeit bieten (und nicht bloß 8 Bit, wie in älteren Revisionen irrtümlich angegeben.)

= Anmerkungen =
<references/>

= TODO =
* Aktualisierung Register- und Bitbeschreibungen an aktuelle AVR
* stdio.h, malloc()
* "naked"-Funktionen
* Übersicht zu den C bzw. GCC-predefined Makros (__DATE__, __TIME__,...)
* Bootloader => erl. [[AVR Bootloader in C - eine einfache Anleitung]]
* [http://myweb.msoe.edu/~barnicks/courses/CE-2800/documents/Mixing%20C%20and%20assembly%20language%20programs.pdf Mixing C and assembly language programs] Copyright © 2007 William Barnekow (PDF).

[[Kategorie:avr-gcc Tutorial| ]]