[ВШЭ] Основы электроники и программирования микроконтроллеров

​ Каждый день мы пользуемся компьютером, но далеко не каждый из нас понимает, какие процессы превращают электрический ток в 0 и 1. Данная программа расскажет о принципах работы и особенностях всех видов цифровой электроники: начиная от включения лампочки от батарейки и заканчивая индикации текста на дисплее, управляемого микроконтроллером. На курсе вы поработайте с мультиметром, паяльником и цифровым осциллографом. Своими руками создадите из транзисторов логический элемент ИЛИ-НЕ. Увидите кремниевые кристаллы невооруженным глазом и под микроскопом. И, конечно же, напишете свою программу для микроконтроллера на языки Си, ассемблере и при помощи двоичных кодов. Данная программа - это фундамент для тех, кто хочет начать работу с "железом", отличная возможность полюбить электронику и узнать то, что нам не рассказывали в школе. 1. Основы электроники 1.1. Электрический ток 1.1.1. Обзор курса 1.1.2. Аналогия электрического тока и жидкости 1.1.3. Электрические характеристики: сила ток, напряжение, мощность, заряд 1.1.4. Замкнутость цепи 1.1.5. Источники тока 1.1.6. Мультиметр 1.2. Сопротивления 1.2.1. Сопротивление и проводимость – свойства проводника 1.2.2. Последовательное и параллельное соединение 1.2.3. Комбинации последовательного и параллельного соединения 1.2.4. Законы Кирхгофа для тока и напряжения 1.2.5. Переменный резистор 1.2.6. Резистивный делитель напряжения 1.2.7. Мощность, выделяющаяся на резисторах (свечение ламп накаливания, нагрев резисторов) 1.2.8. Точность вычислений и экспоненциальная форма записи чисел «Ax10B» 1.3. Пайка 1.3.1. Пайка выводных резисторов и контактов PLS 1.3.2. Пайка провода АМП и МГТФ 1.3.3. Пайка микросхем в корпусе TSSOP-14 1.3.4. Пайка SMD-резисторов и SMD-светодиодов 1.4. Диоды 1.4.1. Свойства диодов 1.4.2. Вольт-амперная характеристика 1.4.3. Диодный мост 1.4.4. Светодиоды: свойства, характеристики, корпуса 1.4.5. Создание полупроводникового светодиода своими руками 1.5. Транзисторы 1.5.1. Свойства полевых транзисторов 1.5.2. Применение полевых транзисторов для усиления и коммутации (динамик и лампочка) 1.5.3. Различие свойств полевых и биполярных транзисторов 1.5.4. n-канальные и p-канальные полевые транзисторы 1.5.5. Транзисторы в составе микросхем – процесс производства 1.5.6. Коммутация электромагнитным реле 2. Логические элементы и устройства на их основе 2.1. Логические элементы НЕ, И, ИЛИ 2.1.1. Логика 2.1.2. Элементы И/ИЛИ/НЕ 2.1.3. Таблица истинности 2.1.4. Возможность построения по таблице истинности любого логического элемента на основе И/ИЛИ/НЕ 2.1.5. Лог.НЕ из полевых транзисторов 2.1.6. Лог.И из полевых транзисторов 2.1.7. Лог.ИЛИ из полевых транзисторов 2.1.8. Микросхемы И/ИЛИ/НЕ 2.2. Логические элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ, ИСКЛ.ИЛИ 2.2.1. Возможность заменить элементы И/ИЛИ/НЕ комбинацией элементов И-НЕ или ИЛИ-НЕ 2.2.2. Построение элементов ИЛИ-НЕ и И-НЕ из полевых транзисторов 2.2.3. Элемент ИСКЛ.ИЛИ из элементов И/ИЛИ/НЕ 2.2.4. Микросхемы ИЛИ-НЕ/И-НЕ/ИСКЛ.ИЛИ 2.3. Мультиплексор 2.3.1. Коммутация сигналов 2.3.2. Мультиплексор из логических элементов И/ИЛИ/НЕ 2.3.3. Мультиплексор, как универсальный логический элемент 2.3.4. Мультиплексор из отдельных транзисторов 2.4. ПЛИС 2.4.1. Основные принципы устройства ПЛИС: входы, выходы, логические блоки, связи, интерфейс программирования ПЛИС 2.4.2. Описание электронного устройства в среде визуального проектирования Quartus Prime 2.5. Двоичная система счисления 2.5.1. Десятичная система счисления (как на пальцах досчитать до 1000) 2.5.2. Счеты (десятичные) 2.5.3. Часовая, минутная и секундная стрелка. 2.5.4. Счеты для часов 2.5.5. Счеты для семеричной и четверичной системы счисления 2.5.6. Счеты для двоичной системы счисления 2.5.7. Счет в двоичной системе на пальцах 2.6. Сумматор 2.6.1. Сумматор на основе И/ИЛИ/НЕ 2.6.2. Сумматор на основе ИСКЛ.ИЛИ 2.6.3. Вычитание двоичных чисел 2.7. Элементы памяти на логических элементах 2.7.1. Ячейка памяти на логическом НЕ 2.7.2. RS-триггер 2.7.3. D-защелка 2.8. Устройства на триггерах 2.8.1. D-триггер (со сбросом) 2.8.2. Счетчик 2.8.3. Сдвиговый регистр 2.8.4. Передача данных сдвиговым регистром 2.9. Память SRAM 2.9.1. Устройство ячейки SRAM 2.9.2. Шины адреса, данных, управления у SRAM 2.9.3. Двухпортовая SRAM 2.10. Память EEPROM 2.10.1. Память EEPROM с параллельным интерфейсом 2.10.2. Последовательная память EEPROM (93LC46) 2.10.3. SPI при помощи сдвигового регистра 3. Ассемблер, Си и устройство микроконтроллера 3.1. Операторы Си 3.1.1. Среда программирования dev-c++ 3.1.2. Операторы языка Си (не связанные с присвоением) 3.2. Среда MPLAB 3.2.1. Среда программирования микроконтроллеров PIC - MPLAB 3.2.2. Операторы Си применительно к микроконтроллерам 3.3. Игра в микроконтроллер 3.4. Ассемблер PIC18 3.4.1. Набор команд ассемблера PIC18, структура двоичного кода команд и мнемоники 3.4.2. Ассемблерные аналоги операторов Си 3.5. Переменные 3.5.1. Переменные типа char в Си (примеры в среде dev-c++) 3.5.2. Переменные типа char применительно к микроконтроллерам (примеры в MPLAB, есть отличие компилятора C18 от стандартного Си) 3.5.3. Ассемблерный аналог переменных 3.6. Операторы ветвления 3.6.1. Алгоритм 3.6.2. Язык блок-схем 3.6.3. Операторы ветвления в Си (примеры в среде dev-c++) 3.6.4. Ассемблерные операторы ветвления 3.7. Операторы циклов 3.7.1. Операторы циклов в Си (примеры в среде dev-c++) 3.7.2. Ассемблерные аналоги операторов циклов 3.7.3. Понятие о циклической работе программы в микроконтроллере, бесконечный цикл и таймер «сторожевой пёс» (watch dog timer) 3.8. Массивы 3.8.1. Массивы в Си (примеры в среде dev-c++) 3.8.2. Механизм работы с массивом в ассемблере при помощи косвенной адресации 3.9. Функции 3.9.1. Функции, значения и аргументы в реальном мире. Повторное использование кода 3.9.2. Синтаксис объявления и вызова функции в Си (примеры в среде dev-c++) 3.9.3. Ассемблерные подпрограммы, их вызов и возврат из них. Стек вызова. 3.10. Типы переменных 3.10.1. Типы переменных в Си, оператор sizeof() (примеры в среде dev-c++) 3.10.2. Анализ ассемблерного кода, сформированного компилятором C18 при сложении двух переменных типа char и двух переменных типа int 3.10.3. Способы хранения данных в переменных. Числа с плавающей точкой 3.11. Структуры 3.11.1. Понятие о классах, объектах и свойства в реальном мире 3.11.2. Объявление структуры в Си (примеры в среде dev-c++) 3.11.3. Вложенные структуры 3.12. Указатели 3.12.1. Понятие указателей в Си и синтаксис работы с ними (примеры в среде dev-c++) 3.12.2. Арифметика указателей 3.12.3. Передача аргументов в функцию и возврат значения функции при помощи указателей 3.12.4. Написание программы на Си (MPLAB) для микроконтроллера, работающей с портами ввода-вывода без использования библиотек 3.12.5. Адресное пространство 4. Применение микроконтроллеров 4.1. Бегущий огонек (тактирование и питание микроконтроллера) 4.1.1. Написание программы «мигающий светодиод» на Си и ассемблере 4.1.2. Написание программы «бегущий огонек» на Си и ассемблере 4.1.3. Система тактирования микроконтроллера. Ток через порты ввода-вывода 4.2.1. Написание программы на Си и ассемблере, реагирующей на нажатие кнопки. Используется главный цикл 4.2.2. Написание программы на ассемблере, реагирующей на нажатие кнопки при помощи механизма внешнего прерывания 4.2.3. Написание программы на Си, реагирующей на нажатие кнопки с использованием внешнего прерывания. Понятие указателя на функцию 4.2.4. Эффект дребезга контактов и его устранение 4.3. Плавное мерцание (таймер) 4.3.1. Понятие широтно-импульсной модуляции 4.3.2. Написание программы плавного мерцания на Си в главном цикле 4.3.3. Написание программы плавного мерцания на Си с использованием таймера 4.4. Аналого-цифровой преобразователь 4.4.1. Понятие о преобразовании аналоговых величин в дискретные 4.4.2. Написание программы «растущая шкала» на Си с применением переменного резистора 4.5. Семисегментный индикатор 4.5.1. Написание программы, демонстрирующей различные символы на паре семисегментных индикаторов 4.5.2. Написание функции, преобразующей число в CodeB 4.5.3. Написание программы, преобразующей двоичное число на порте в десятичное число от 0 до 99 на семисегментных индикаторах 4.6. Матричная клавиатура 4.6.1. Написание программы, осуществляющей сканирование 16-кнопочной клавиатуры 8-битным портом ввода-вывода и выдающей нажатую клавишу на семисегментные индикаторы 4.6.2. Написание программы, осуществляющие суммирование с накопление 16-ричных чисел, нажатых на клавиатуре и вывод суммы на семисегментные индикаторы (следует предусмотреть обработку дребезга контактов и нажатия двух и более кнопок одновременно) 4.7. SPI 4.7.1. Написать программу, осуществляющую обмен данными с микросхемой памяти EEPROM 93LC46, используя главный цикл 4.7.2. Написать программу обмена данными с 93LC46 используя встроенный в микроконтроллер передатчик SPI 4.8. Контроллер семисегментного дисплея 4.8.1. Написать программу, выводящую числа на 8-знаковый семисегментный дисплей через специализированный контроллер,работающий через интерфейс SPI. В программе должна быть структура данных, описывающая настройки контроллера дисплея и функция вывода чисел на дисплей 4.9. I2C 4.9.1. Написать программу, осуществляющую обмен данными с микросхемой памяти и расширителем портов по протоколу I2C ​