ENCE260 Lab 1 翻译

1. 介绍

ENCE260的嵌入式系统实验将在第四学期的第二周开始。在接下来的三周内，你将完成一系列实验，帮助你熟悉嵌入式系统编程和UC FunKit。这些实验旨在帮助你完成第二个作业，你可以在团队分配后随时开始。演示将在第四学期的最后一周举行。

本次实验的目的是让你熟悉输入/输出（I/O）端口以及在AVR微控制器上的模块化编程。

2. 入门 - 查找并下载ucfk4软件库

2.1. 登录到工程Git服务器：https://eng-git.canterbury.ac.nz

2.2. 打开一个终端窗口。

2.3. 使用mkdir命令，在你的工作目录中创建一个新目录，例如：

../courses/ence260/

2.4. 在命令行中输入以下命令（注意，你需要手动输入，而不是复制粘贴自PDF）：

git clone https://eng-git.canterbury.ac.nz/rmc84/ence260-ucfk4.git

不要更改URL（rmc84是作者的用户名，你不需要在URL中修改）。输入上述命令后会提示你登录，请使用你的UC用户名和密码。

成功后，将出现一个名为ence260-ucfk4的新目录。

2.5. 使用cd命令切换到ence260-ucfk4目录：

cd ence260-ucfk4

2.6. 在该目录中，有各种子目录，包含示例应用程序、驱动模块、测试工具等。

2.7. 输入以下命令以列出目录并显示其内容：

more README

你将看到类似以下的内容：

目录结构是：

• apps：包含每个应用程序的子目录
• drivers：设备驱动模块（硬件独立）
• drivers/avr：专门为AVR架构设计的设备驱动模块
• drivers/test：用于测试的设备驱动模块
• doc：文档
• etc：杂项脚本和Makefile模板
• fonts：字体及字体创建程序
• utils：实用工具模块
• labs：包含实验练习

这部分实验帮助你了解如何在AVR微控制器上进行模块化编程，并熟悉UC FunKit套件的操作。你将使用git命令从Canterbury大学的工程服务器上下载所需的代码库。下载后，你会进入ence260-ucfk4目录，该目录中有不同的子目录，包含示例程序、驱动程序模块等，这些都是你在实验中将用到的资源。

3. 测试UCFK4开发板

现在，我们来快速检查一下你的UCFK4开发板是否正常工作。按照以下步骤操作：

3.1. 将工作目录切换到ence260-ucfk4/apps/space12：

cd apps/space12

3.2. 用带有mini-B USB连接器的USB线将UCFK4连接到电脑的USB端口。此时，绿色电源指示灯应该亮起。

3.3. 使用以下命令编译并加载space12程序到UCFK4的闪存中：

make program

这将同时启动程序，你应该会在LED矩阵上看到一些文字显示。如果你在Erskine实验室中看到以下错误信息：

dfu-programmer failed to release interface 0

忽略此错误，在整个课程中都会看到这个错误。程序依然会在微控制器上编译并加载。更换USB端口有时可以让此错误消失。

如果你看到以下错误：

dfu-programmer: no device present

这可能是因为微控制器上已经运行了一个程序。你需要在运行make program前按下重置开关（S2）。

如果你在自己的电脑上使用，并且没有正确设置USB权限，也会出现这个错误。

如果你安装的avr-gcc版本比5.4.0更新，你可能会遇到以下警告：

warning: array subscript 0 is outside array bounds of 'volatile uint8_t[0]' {aka 'volatile unsigned char[]'} [-Warray-bounds]

程序仍然可以编译并加载，但建议安装较旧版本的avr-gcc（如5.4.0）以避免实验和作业中的这些警告。

3.4. 向下按动导航开关（navswitch）开始游戏。导航开关可以移动你的枪左右，按下它可以发射炮弹。你的任务是击落外星人，防止他们到达地面。如果游戏太简单，可以尝试更难的关卡。

3.5. 将工作目录切换回ence260-ucfk4的上级目录：

cd ../..

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4. 访问实验文件夹

在接下来的三周内，你将基于/lab文件夹中的示例代码开发自己的代码。提供了从实验1到实验3的几个文件夹。在本次实验中，你将会使用lab1-ex1到lab1-ex5文件夹。

注意：即使你可能想要移动或重新安排这些文件夹，请不要这么做。软件库中有一些依赖项，它们不容易被更改。因此，请保持目录结构不变，并开始编写代码。

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5. 通过写入I/O端口寄存器来点亮LED

5.1. 你的下一个任务是编写一个程序，打开连接到微控制器的蓝色LED，该LED连接在C端口的第2号引脚。需要将此引脚初始化为输出，以便控制LED。为此，我们必须写入DDRC1，即C端口的数据方向寄存器（Data Direction Register）。此寄存器的第2位与引脚2的状态有关。要将引脚设置为输出，需要将DDRC的相应位写入逻辑1。注意，如果将引脚配置为输入，则对应的DDR位值应为逻辑0。

打开文件lab1-ex1/lab1-ex1.c，你会看到一个当前没有特别功能的程序框架。

为了将引脚2设置为输出，我们需要设置DDRC的第二位。添加以下代码到程序中：

DDRC |= (1 << 2);

将此行代码放在main()函数的初始化部分。

5.2. 接下来，我们需要设置引脚的状态以驱动蓝色LED。为此，我们需要写入PORTC寄存器的第2位。以下代码将完成此操作：

PORTC |= (1 << 2);

你可以将这段代码放在程序的主循环内。

5.3. 使用以下命令编译程序：

make

这将使用名为Makefile的文件中的规则生成lab1-ex1.out程序。如果有错误或警告，请修复它们并重试。

5.4. 按下UCFK4开发板上的S2按钮进行复位，然后使用以下命令来编程：

make program

这将加载你的程序。如果一切正常，蓝色LED应该会亮起。如果没有亮，检查你的程序并重试。

6. 使用I/O端口寄存器读取按钮

现在我们来处理简单的输入操作。目标是修改你的程序，当按钮（R7旁边的白色开关）按下时点亮LED，松开按钮时熄灭LED。

按钮连接在D端口的第7号引脚。D端口的数据方向寄存器（DDRD）需要将第7位设置为0。虽然这是默认设置，但请尝试自己推导出正确的位模式，并添加代码以确保在DDRD中清除此位。

要获取输入引脚的状态，我们读取与其关联的PIN寄存器。按钮的状态反映在PIND寄存器的第7位中。

6.1 修改你的上一个程序，使用if语句检查按钮引脚状态。如果该引脚为高电平，则点亮LED；如果为低电平，则熄灭LED。将此逻辑放在while循环中，以便持续检查按钮状态。提示：你可能需要参考你在Learn上的嵌入式系统笔记。

6.2 和之前一样，使用make编译程序并给UCFK4板编程。你应该能够按下并松开按钮来控制蓝色LED的开关。

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7. 抽象细节

抽象是编程的关键。它可以隐藏不必要的细节。因此，与其在main函数中直接访问PORT寄存器，我们将编写一些函数来控制LED和读取按钮状态。

7.1 打开文件lab1-ex2/lab1-ex2.c，你会看到一些空函数。完成这些函数，以便可以在main()函数中使用它们来实现之前练习的相同功能。

7.2 编译并给UCFK4板编程。

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8. 编写简单的C模块

你编写的控制LED和读取按钮的函数对于其他程序也很有用。最好的重用这些函数的方法是将相关函数放入各自的文件中。在这种情况下，将LED的控制函数放在一个文件中，将按钮的控制函数放在另一个文件中。这种方法称为模块化编程。它有助于保持代码整洁易于管理，并有利于构建大型项目。此外，它还可以隐藏不必要的复杂细节。

8.1 打开文件lab1-ex3/lab1-ex3.c、lab1-ex3/led.c、lab1-ex3/led.h、lab1-ex3/button.c、lab1-ex3/button.h。你会看到一些熟悉的函数，它们现在分别被放置在不同的文件中。查看这些文件的结构，了解如何创建C模块。

8.2 实现led.c和button.c中的函数，编译你的程序。查看由make命令生成的文件列表。你注意到与之前练习有何不同吗？提示：检查头文件依赖关系并注意Makefile的变化。

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9. 使用端口I/O模块

到目前为止，你应该对如何为AVR微控制器编程I/O端口有所了解。不幸的是，其他微控制器处理端口I/O的方式可能有所不同【5】。这使得编写可移植程序（即可以在不同硬件上使用的程序）变得更加困难。解决这一问题的一个方法是使用I/O端口的抽象层。因此，与其直接操作I/O端口寄存器，我们可以使用函数来进行操作。

打开头文件/drivers/avr/pio.h，该文件定义了UCFK API的可编程输入输出（PIO）。现在来看看以下代码：

#include "pio.h"
#define LED_PIO PIO_DEFINE(PORT_C, 2)
int main (void)
{
    pio_config_set(LED_PIO, PIO_OUTPUT_LOW);
    while (1)
    {
        pio_output_low(LED_PIO);
        pio_output_high(LED_PIO);
    }
    return 0;
}

以下是需要注意的几点：

9.1 该程序包含了头文件/drivers/avr/pio.h，其中有端口I/O（PIO）例程的函数原型。

9.2 PIO_DEFINE是一个宏，用于分配唯一整数来标识驱动LED的I/O引脚【6】。该宏的第一个参数是端口（此处为PORT_C），第二个参数是定义的I/O位/引脚（此处为第2位）。

9.3 pio_config_set函数设置数据方向寄存器；在本例中设置为输出。同时它也设置了端口寄存器，因此指定的引脚LED_PIO的初始状态为低电平。

9.4 drivers/avr/pio.h中定义了PIO_INPUT作为输入，pio_input_get函数用于返回输入状态。

9.5 while循环交替设置指定引脚为低电平和高电平。此过程将以你的眼睛无法注意到闪烁的速率发生。

以下是你需要做的：

9.5.1 编辑文件lab1-ex4/button.c和lab1-ex4/led.c。而不是直接访问I/O端口寄存器，而是使用PIO模块【7】。

9.5.2 编译此代码并为你的开发板编程。你应该会看到与直接使用端口寄存器时相同的行为。

9.5.3 切换到lab1-ex4/doc目录并运行make。这应该会生成一些PDF文件。查看文件module_dependencies.pdf和callgraph.pdf【8】。

9.5.4 修改程序，使每次按下按钮时，LED状态切换。例如，按下按钮时LED应打开，再次按下时应关闭。你需要使用一个变量来跟踪先前的按钮状态，并将其与当前状态进行比较以检测边沿事件。你还需要跟踪LED的状态以便切换它。请注意，由于开关抖动问题，一个按下动作可能会被检测为多个按下。

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10. 驱动LED矩阵

LED显示屏由7行5列的LED阵列组成。要点亮矩阵中的某个LED，你需要同时将它所在的行和列设置为低电平。

10.1 打开文件drivers/avr/system.h并查看其中的定义。该文件定义了与UCFK9接口的所有可编程输入输出（PIO）【9】。

10.2 修改文件lab1-ex5/lab1-ex5.c，使得LED显示屏的左上角LED点亮（USB连接器在开发板的顶端）。

10.3 进一步修改文件lab1-ex5/lab1-ex5.c，使得显示屏上左侧的一整列LED点亮。

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