The amforth Cookbook english version started

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1 The amforth Cookbook Author: Datum: Erich Wälde english version started

2 Copyright 2010 Erich Wälde License: CC-BY-SA Production Notes:

3 Contents 1 Project with amforth Board Sample application ATMEGA32 register and bit names and addresses Pins and Ports lib/bitnames.frt: names for pins configure pins to input/output set pins to high/low Hello, world! Memory 6 4 Interrupts 7 5 Timer/Counter Subsystem Ereignisse Zählen Zeit zählen mit Timer2 und einem Uhrenquarz Pulsweitenmodulierte Signale erzeugen (PWM) PWM Signal erzeugen (fast pwm mode) langsames PWM Signal (Servo ansteuern) einen Ton auf einem Piezo/Lautsprecher ausgeben Pulsweiten messen ADC Subsystem Analoge Signalpegel ausmessen TWI/I2C Subsystem 17 8 SPI Subsystem 18 9 USART Subsystem 19 1

4 CONTENTS 2 10 Programmstücke turnkey: wie ein Programm direkt nach dem Einschalten startet res: freien/belegten Platz anzeigen timeup: Uhrzeit/Datum Das DCF Zeitzeichen empfangen und auswerten Die timeup Uhr mit der DCF Uhr synchronisieren Assembler und amforth Assembler Code in amforth einbetten Assembler Code für amforth erzeugen Forthiges bit flags scaled integer: arithmetische Berechnungen deferred Words I/O Umleitung (redirection) sensor: so ne Art Objekt filter mean: noch so ne Art Objekt Einfach verkettete Liste Multitasker Kommunikation wire über i2c mit dem ds2482 controller rs485 über usart

5 Chapter 1 Project with amforth This chapter shall describe, how to create a working amforth system on a controller; how to configure the important things like clock speed, usart speed, controller model; which files are used for what purpose and how to customize them (dict.asm files). The goal of this chapter is to have a running amforth system on my controller, happily responding to my keystrokes on the serial console 1.1 Board briefly describe the embedit prototype board mit ATMEGA32, Quarz MHz, and serial console at baud 1.2 Sample application layout of appl/template and how to use it; This stuff is highly dependant on the particular version of amforth in use. 1.3 ATMEGA32 register and bit names and addresses content of device/atmega32.frt; reference to datasheet 3

6 Chapter 2 Pins and Ports Howto address port pins, configure them for input/output with/without internal pullup resistors, highz 2.1 lib/bitnames.frt: names for pins PORTB 0 portpin: led_error 2.2 configure pins to input/output $01 DDRA c! $00 PORTA c! led_error pin_output 2.3 set pins to high/low $01 PORTB c! to set high $00 PORTB c! to set low led_error high led_error low 2.4 Hello, world! Tradition demands to make an LED blink as your first programm. We shall make no exception: 1 \ run_hello_world_led.frt 2 PORTB 3 portpin: led_active 3 : ms ( n -- ) 0?do 1ms loop ; 4 : init 5 led_active pin_output 6 led_active high 4

7 CHAPTER 2. PINS AND PORTS 5 7 ; 8 : run 9 init 10 begin 11 led_active low 12 &200 ms 13 led_active high 14 &800 ms 15 loop 16 ;

8 Chapter 3 Memory ram,flash,eeprom; which is used for what; related i@ e@! i! e!, briefly explain the memory layout of an amforth system 6

9 Chapter 4 Interrupts Interrupts in amforth sind anders. Erklären, wie das gemacht ist. Beispiel timer2: kein interrupt bit löschen. Bei anderen Interrupts muß man mit Assembler rumhantieren, Beispiel usart im isr mode. Man kann mit etwas Akrobatik auch die isr in forth schreiben, Beispiel für die Uhr auf dem 168 von Adolf/Michael. Andere Beispiele??? 7

10 Chapter 5 Timer/Counter Subsystem 5.1 Ereignisse Zählen pins INT0..2 zum Zählen von externen Ereignissen verwenden 5.2 Zeit zählen mit Timer2 und einem Uhrenquarz Problem Sie wollen eine verlässliche Messung der Zeit Lösung Für eine verlässliche Messung der Zeit kann man Timer2 mit einem zusätzlichen Uhrenquarz (32768 Hz) betreiben. Schaltung Uhrenquarz an TOSC1,TOSC2 Konfiguration Um Timer2 mit dem externen Uhrenquarz zu betreiben, müssen folgende Register/Bits gesetzt werden (Datenblatt S.125ff): TCCR2: im Timer/Counter Control Register 2 wählt man die ungeteilte Frequenz als Quelle: CS22,CS21,CS20 = 001. Die übrigen Bits bleiben auf 0, d.h. Timer2 wird im normal mode betrieben: das Zählerregister wird von 0 aufwärts bis 255 gezählt, löst dann ggf. einen Interrupt aus und fängt wieder bei 0 an zu zählen. TCNT2 enthält den aktuellen Zählwert. 8

11 CHAPTER 5. TIMER/COUNTER SUBSYSTEM 9 ASSR: im Asynchronous Status Register wird das Bit AS2 auf 1 gesetzt. Damit wählt man den Uhrenquarz an Pin TOSC1 als Quelle. Das ist der sogenannte asynchrone Modus, weil der (externe) Uhrenquarztakt völlig unabhängig vom (internen) Takt des Kontrollers läuft. TIMSK: im Timer/Counter Interrupt Mask Register wird gesetzt, daß das Überlaufen des Zählers einen Interrupt auslösen soll. Code 1 \ timer2_clock.fs 2 3 \ variable: 4 \ timer2 5 \ words: 6 \ +ticks register isr and enable interupt 7 \ -ticks disable interupt 8 \ tick_isr interupt service routine: increments timer \ f_crystal: /sec == clock source 11 \ overflow: 32768/256 = 128 /sec =ˆ= milli-sec ticks \ TCCR2 [FOC2,WGM20,COM21,COM20,WGM21,CS22,CS21,CS20] 14 \ ASSR [-,-,-,-,AS2,TCN2UB,OCR2UB,TCR2UB] 15 \ TIMSK [OCIE2,TOIE2,TICIE1,OCIE1A,OCIE1B,TOIE1,OCIE0,TOIE0] variable timer hex 20 \ Timer2 overflow ISR: 21 \ increment timer2 22 : tick_isr 23 1 timer2 +! 24 ; 25 \ enable ticks 26 : +ticks 27 1 TCCR2 c! \ select clock undivided 28 8 ASSR c! \ select external quarz clock source 29 \ fixme: int! 30 [ ] tick_isr TIMER2_OVFAddr 2/ int! \ register ISR 31 TIMSK c@ 40 or TIMSK c! \ enable Timer2 overflow interrupt 32 ; 33 \ disable ticks 34 : -ticks 35 TIMSK c@ 36 [ 40 invert ff and ] literal 37 and TIMSK c! \ disable Timer2 overflow interrupt 38 ;

12 CHAPTER 5. TIMER/COUNTER SUBSYSTEM 10 Verwendung 1 \ run_timer2_clock.fs 2 3 marker --start include devices/atmega32.frt 6 include cooklib/ms.frt \ ms 7 include cooklib/timer2_clock.frt \ tick_isr +ticks -ticks 8 decimal constant ticks/sec 10 variable old_timer : run 13 0 timer2! 14 0 old_timer2! 15 +ticks 16 decimal 17 begin ms 19 cr 20 dup u. 21 dup - 22 dup. 23 ticks/sec <> if." <--" then 24 old_timer2! 25 key? until 26 -ticks 27 ; Ausgabe 1 > run < < <

13 CHAPTER 5. TIMER/COUNTER SUBSYSTEM 11 Diskussion Es werden die folgenden Worte definiert: +ticks konfiguriert Timer2. Über das Timer/Counter Control Register 2 wird festgelegt, daß Timer2 mit der ungeteilten Frequenz des Uhrenquarzes läuft (1 TCCR2 c!).??? Danach wird tick isr als Interupt Service Routine registriert ([ ] tick_isr OVF2addr int!). Und schließlich wird der Timer2 Interupt eingeschalten (TIMSK c@ 40 or TIMSK c!). -ticks schaltet den Timer2 aus. timer2 ist eine Variable, die beim Ausführen von tick isr hochgezählt wird. tick isr ist eine Interupt Service Routine, die immer aufgerufen wird, wenn Timer2 übergelaufen ist und den Interupt auslöst. Die Variable timer2 wird hochgezählt. Es werden keine Vorkehrungen gegen den Überlauf getroffen. In der Variablen timer2 werden die Überläufe von Timer2 gezählt. Timer2 wird pro Sekunde erhöht. Er läuft nach 256 Schritten über, also 32768/256 = 128 mal pro Sekunde. Dieser Wert wird in der Konstanten ticks/sec aufgehoben. der timer2 interrupt wird nie gelöscht. Daher funktioniert das so. Wenn man ein Bit aus ISR löschen muß, dann muß man die auch in Assembler verfassen. (Beispiel???) Aysgabebeispiel? Wenn man die Wartezeit etwas verkürzt, dann kann man das so hinkriegen, daß fast immer 128 ticks vergehen. Man kann aus der Größe der Korrektur auf die Laufzeit des regelmäßigen Programmteils in der Schleife schließen. So ungefähr jedenfalls. Gibt es Alternativen zu dem o.g. Vorgehen? externe RTC mit Sekunden Interrupt an Pin??? Weiterlesen Timer/Counter2 (Datenblatt S.125ff???) Interrupts und Forth Interupts Kap.??? timeup 5.3 Pulsweitenmodulierte Signale erzeugen (PWM) Was ist PWM? Wie geht das beim ATMEGA32? Die Zähler des ATMEGA32 können (alle?) auch zum Erzeugen von PWM Signalen eingesetzt werden. Dabei wird der Zähler mit einem Oszillatorsignal versorgt (normalerweise vom CPU Quarz) und zählt bei

14 CHAPTER 5. TIMER/COUNTER SUBSYSTEM 12 jedem Impuls weiter. Es gibt ein oder zwei weitere Vergleichs-Register (output compare register), mit deren Inhalt der Zählerstand bei jedem Schritt verglichen wird. Stimmen die Inhalte von Zähler und Vergleichsregister überein, dann können daraus verschiedene Aktionen automatisch angestoßen werden. Im einfachsten Fall wird der Pegel des zugehörigen Ausgabe-Pins geändert. Interrupts können ebenfalls ausgelöst werden. es gibt mehrere verschiedene Modi, in denen eine Zähler/PWM Kombination betrieben werden kann PWM Signal erzeugen (fast pwm mode) Problem Sie wollen ein einstellbares PWM Signal ausgeben um damit die Helligkeit einer LED (oder die Leistungsaufnahme eines anderen Verbrauchers) zu steuern. Konkret: Zähler 0 soll ein 8 bit PWM Signal generieren und invertiert auf Pin OC0 ausgeben. Lösung Schaltung? Code Diskussion Weiterlesen langsames PWM Signal (Servo ansteuern) einen Ton auf einem Piezo/Lautsprecher ausgeben 5.4 Pulsweiten messen das müsste doch auch gehen

15 Chapter 6 ADC Subsystem 6.1 Analoge Signalpegel ausmessen Problem Sie wollen eine analoge Spannung mit dem ADC (analog digital converter) ausmessen. Lösung Der ATMEGA32 verfügt über einen eingebauten ADC mit 8 Kanälen und einer Auflösung von 10 bit. Der ADC kann in verschiedenen Konfigurationen betrieben werden. Die Auswahl der Referenzspannung, sowie die Art der Messung (zwischen zwei Pins (differentiell) oder gegen Masse (single ended)) sind nur die wichtigsten Einstellungen. Wir beschränken uns hier auf den Fall, daß die Referenzspannung gleich der Versorgungsspannung ist, daß Pin ADC3 gegen Masse gemessen wird und daß die zu messende Spannung zwischen 0 V und der Versorgungsspannung liegt. Schaltung Versorgungs Spannung als Referenz an AREF zu messende Spannung an ADC3, zum Testen ein Potentiometer anschließen Konfiguration Der Pin muß zum Lesen und ohne pullup-widerstand konfiguriert werden (highz). Der ADC wird über folgende Register konfiguriert. ADMUX: In diesem Register wählen wir zunächst, daß das Ergebnis linksbündig geliefert werden soll (Bit ADLAR=1). Das hat den Vorteil, daß man für eine 8-bit genaue Messung das niedrige Ergebnis-Byte einfach verwirft. Direkt vor der Messung wird hier außerdem die gewünschte Pinauswahl eingegeben. In unserem Fall: Bits MUX4..0 =

16 CHAPTER 6. ADC SUBSYSTEM 14 Außerdem würde man hier die gewünschte Referenzspannung angeben, die default Einstellung Bits REFS1..0 = 00 wählt die an AREF anliegende Spannung als Referenz. ADCSRA: Das ACD status and control register A enthält weitere Steuerbits: Bit ADEN schaltet den ADC ein. Bit ADSC startet eine Wandlung. Wird das Bit zurückgelesen, so ist es 1, solange die Wandlung andauert, und 0 nach dem Ende der Wandlung. Bits ADPS2..0 wählt einen Teiler, der die CPU-Frequenz heruntertaktet. Die resultierende Frequenz wird zur Wandlung benutzt. Setzt man alle drei bits, so ergibt sich ein Teiler von 128. ADCL, ADCH: Diese Register enthalten das Ergebnis der Wandlung. Im linksbündigen Fall stehen die Bits 9..2 im Register ADCH, die Bits 1..0 an den höchsten beiden Stellen von Register ADCL. Die Datei cooklib/adc.frt definiert mehrere Worte, von denen die folgenden für den Gebrauch durch das übergeordnete Programm vorgesehen sind: adc.init: initialisiert das ADC Subsystem wie oben beschrieben. adc.get10: nimmt die Pin-Nummer (bit position als Argument und veranlasst eine ADC Wandlung. Das Ergebnis wird in 10-bit Genauigkeit abgelegt. Die Pin-Nummer ist streng genommen die Kanal-Konfiguration ADMUX4..0, ist aber in diesem Fall identisch mit der Nummer des Pins von PORTA. adc.get: nimmt ebenfalls die Pin-Nummer als Argument und veranlasst eine ADC Wandlung. Das Ergebnis wird in 8-bit Präzision abgelegt. Code Modul/e 1 \ EW cooklib/adc.frt 2 3 : adc.init ( -- ) 4 [ 5 bv \ ADLAR: left adjust result 5 ] literal ADMUX c! 6 [ 7 bv \ ADEN: enable ADC 7 2 bv 1 bv 0 bv or or \ prescaler or 9 ] literal ADCSRA c! 10 ; bv constant ADSC_MSK \ Start Conversion bitmask 13 : adc.start 14 \ start conversion 15 ADSC_MSK ADCSRA or! 16 ;

17 CHAPTER 6. ADC SUBSYSTEM : adc.wait 18 \ wait for completion of conversion 19 begin 20 ADCSRA c@ ADSC_MSK and 0= 21 until 22 ; 23 : adc.channel! ( channel -- ) 24 7 and \ clip channel to ADMUX c@ 7 invert and \ read ADMUX, clear old channel 26 or \ add new channel 27 ADMUX c! \ write 28 ; 29 : adc.get10 ( channel -- a ) 30 adc.channel! adc.start adc.wait 31 \ 10 bit 32 ADCL c@ 33 ADCH c@ 8 lshift + 6 rshift 34 ; 35 : adc.get ( channel -- a ) 36 adc.channel! adc.start adc.wait 37 \ 8 bit 38 ADCH c@ 39 ; Verwendung Code Verwendung 1 \ EW run_adc.frt 2 marker --start-- 3 hex 4 5 include cooklib/ms.frt \ ms 6 include cooklib/bv.frt \ bv bv 7 include lib/bitnames.frt \ portpin: pin_highz 8 include cooklib/adc.frt \ adc.init adc.get : portpin>channel ( pinmask portaddr -- bit-position ) 11 drop ( -- pinmask ) 12 bv ( -- bit-position ) 13 ; PORTA 3 portpin: poti 16 : init 17 adc.init 18 poti pin_highz 19 ; 20 : run 21 init

18 CHAPTER 6. ADC SUBSYSTEM begin 23 poti portpin>channel adc.get10. cr 24 &1000 ms 25 key? until 26 ; Ausgabe Wenn man run aufruft und ordentlich am Potientiometer dreht, dann kann das z.b. so aussehen: 1 > run ok 16 > Diskussion Das ist nur ein kleiner Fall aus einer Fülle von Móglichkeiten, den ADC zu betreiben. Datenblatt-Studium ist ein Muß! Für die Beschaltung den Analogen Teils sollte man sich auch Mühe geben, sonst misst man hauptsächlich das Rauschen in der Stromversorgung... wort... Erklärung, Grenzen, Erweiterungen, Alternativen Weiterlesen Datenblatt Kapitel ADC

19 Chapter 7 TWI/I2C Subsystem I2C Peripherie anschließen und betreiben 17

20 Chapter 8 SPI Subsystem SPI Peripherie anschließen und betreiben 18

21 Chapter 9 USART Subsystem Erklären, wie das mit der seriellen Konsole funktioniert. atmega644p hat eine zweite serielle Schnittstelle siehe auch I/O Umleitung Hier kann das multi processor communication Ding erklärt werden. siehe rs485 Kommunikation 19

22 Chapter 10 Programmstücke 10.1 turnkey: wie ein Programm direkt nach dem Einschalten startet Problem Das mühevoll geschriebene Programm soll auf dem Mikrocontroller starten, sobald der eingeschaltet wird. Lösung Man schreibt eine Funktion, die als turnkey registriert wird. Code Modul/e 28 : run-turnkey 29 baud +usart >usart +int 30 ver 31 run 32 ; run-turnkey is turnkey Diskussion wort... Erklärung, Grenzen, Erweiterungen, Alternativen 20

23 CHAPTER 10. PROGRAMMSTÜCKE 21 Weiterlesen 10.2.res: freien/belegten Platz anzeigen 10.3 timeup: Uhrzeit/Datum Problem Sie wollen die Zeit in den üblichen Größen Jahr, Monat, Tag, Stunde, Minute, Sekunde verwalten. Die Zeit soll mit timer2 gezählt werden, die Verwaltung der Zeit soll in der Hauptschleife miterledigt werden. Lösung timeup Diskussion aufwendig, aber gut. Weiterlesen Zeit zählen mit timer2 i2c pcf8583 Uhr am i2c Bus 10.4 Das DCF Zeitzeichen empfangen und auswerten 10.5 Die timeup Uhr mit der DCF Uhr synchronisieren

24 Chapter 11 Assembler und amforth 11.1 Assembler Code in amforth einbetten hier muß der Assembler von Luboš hin, samt ordentlichem Beispiel 11.2 Assembler Code für amforth erzeugen hier kommt der g4 von Michael hin, samt ordentlichem Beispiel 22

25 Chapter 12 Forthiges 12.1 bit flags 12.2 scaled integer: arithmetische Berechnungen 12.3 deferred Words 12.4 I/O Umleitung (redirection) Anwendung: ein LCD beschreiben 12.5 sensor: so ne Art Objekt 12.6 filter mean: noch so ne Art Objekt 12.7 Einfach verkettete Liste Anwendung: Sensorausstattung als Konfiguration 12.8 Multitasker Erklärung Anwendung: sensoren und Konsole Verheiraten mit turnkey 23

26 Chapter 13 Kommunikation wire über i2c mit dem ds2482 controller 13.2 rs485 über usart0 24