Una introduzione ai Microcontroller PIC

Serve quanto normalmente è necessario per lavorare con tutti i microprocessori o microcontroller ! 

Qui intendiamo l' attività di uno sviluppatore non professionale, per cui le preferenze saranno poste sulla funzionalità in relazione al costo. 
Un professionista o chi affronta l' argomento per lavoro ha come guida fondamentale l' efficienza e solo secondariamente il costo.

Per uno sperimentatore, un hobbista, uno studente, sarà necessario un giuato bilanciamento tra costo ed efficacia dei mezzi.

IL PC

Innanzitutto serve un PC, ma se state leggendo queste pagine, è perchè molto probabilmente lo avete già ! 
Questo PC è il supporto su cui gireranno i programmi di assemblaggio, i linguaggi evoluti, i compilatori, i tools di sviluppo, le utility e quant' altro.

Non occorre nulla di megagalattico, basta al limite anche un vecchio 486. E non serve neppure Windows in quanto molti tools e ambienti di sviluppo possono lavorare anche con Linux (anche purtroppo, o fortunatamente, la tendenza è sempre a favore degli ambienti Microsoft. In particolare Windows 7 a 64 bit rappresenta una buona base).  Anche un PC un po' datato sarà meglio dell' ultimissimo modello, perchè ambienti di sviluppo e programmi accessori non corrono certo dietro alle mode del momento, ma puntano al sodo ed è più facile trovare versioni di applicativi che lavorino con 98 o XP se non addirittura su DOS piuttosto che con Vista, le funzioni grafiche e multimediali del quale non servo assolutamente a nulla per questo genere di applicazioni.

Inoltre c'è la necessità di avere porte seriali e parallele per interfacciarsi con le unità esterne, come programmatori o emulatori, ma queste sono scomparse dalle ultime generazioni di PC (e sopratutto di notebook) e viene messo in difficoltà proprio chi intende usare un portatile, su cui da un certo qual tempo i produttori hanno deciso di poter fare a meno della RS-232 e della parallela, a favore del perverso USB. 
Pertanto, se dovete usare il portatile per il vostro ambiente di sviluppo, verificate di poter disporre di accessori (emulatori, programmatori, ecc) che abbiano interfaccia USB. Purtroppo i più accessibili come costo (gratis o quasi) funzionano sulla seriale o sulla parallela; questo è facilmente spiegabile : sono stati sviluppati tempo addietro, quando l' USB non era ancora stabile o diffuso (diffuso adesso lo è, stabile è un'altra cosa...) e, oltre a questo, l' accesso ad una porta USB è ben più complesso che quello ad una seriale e richiede la scrittura di centinaia di linee di software, oltre all' adozione di specifici chip di interfaccia, tutte cose che lo sviluppatore di un prodotto free quasi mai ha tempo di fare.
Si potrebbe pensare di utilizzare quei cavetti di adattamento tra USB e seriale o parallela, ma i diabolici aggeggi funzionano solo in un numero ben piccolo di casi, perchè sopratutto programmatori o emulatori usano i pin delle interfacce in modo non del tutto "canonico" e i driver degli adattatori USB non sono in grado di supportare queste modalità. Volendo comunque usare notebook e adattatori, è d' obbligo provare prima che tutto funzioni, altrimenti ci si trova con facilità ad aver buttato via tempo e denaro.

Un altro problema con i dispositivi su parallela e seriale, sopratutto quelli che prelevano la loro alimentazione dalle porte del PC, è quello di trovarsi con chip di interfaccia sulla scheda madre non in grado di fornire le correnti o le tensioni richieste dai dispositivi esterni. 
RS 232 e Centronics non sono state progettate per alimentare periferiche, ma, con alcuni trucchi, è possibile drenare una certa potenza dalle linee dei segnali. Questo però dipende dai chip che gestiscono queste linee; nei PC IBM originali erano preposti a queste funzioni chip in grado di fornire diversi milliampere a 12V e quindi non c'era alcun problema. Le attuali interfacce LPC sono in grado di fornire molta meno corrente e spesso l' interfaccia 232 lavora a tensioni ben più basse dei 12V tipici, sopratutto sui notebook (tenete presente che lo standard ammette da poco meno di 4 volt fino a più di 30 !). In queste condizioni, gli aggeggi esterni che sperano di trarre la loro alimentazione dalle porte del PC si trovano buggerati e non funzionano, o peggio, funzionano male. Ne riparleremo più avanti nel paragrafo dei programmatori. Quindi, se usate notebook, meglio cercare periferiche USB oppure avere una docking station (di buona qualità) dove seriale e parallela sono ancora presenti.

In sostanza può essere ottima cosa riciclare un vecchio PC, dotandolo di un buon monitor e una buona tastiera. NON serve una scheda video mega galattica, perchè non c'è niente di 3D; basta che possa pilotare bene il monitor scelto.

L' ambiente di sviluppo.

Fornirsi di adeguati tools per lo sviluppo del programma, Assembler o linguaggi più evoluti, come il C, è cosa assai semplice, almeno per le versioni base. Almeno nei primi tempi ci saranno diverse difficoltà ed un buon ambiente di sviluppo aiuta a ridurre lo stress (a saperlo usare, altrimenti peggiora la situazione...).

In commercio c'è varia roba, ma la preferenza è da dare all' MPLAB distribuito gratuitamente sul sito della Microchip. Si tratta di un ambiente integrato che comprende il compilatore Assembler MPASM e il simulatore MPSIM , oltre ad un LINKER, con funzioni di editor, comando di programmatori, di emulatori, di ICE, ecc. Anche se sono reperibili in rete altri assemblatori, sia gratuiti che a pagamento, questo a nostro parere ben completo e, come detto, è completamente gratuito, costantemente aggiornato ed essendo fatto dalla Mamma dei PIC, non può che essere più che adeguato.Oltre tutto è linkabile con vari compilatori di terze parti.  Una pecca marginale è che si tratta di un file piuttosto grande e richiede una linea ADSL per il download, a meno di volersi svenare con il misero 56 k (digital divide all' opera...)

Attualmente MPLAB è alla versione X (MPLABX), adatto ad operare sia in ambiente Windows che Linux o MAC.
Scaricabile gratuitamente dal sito di Microchip. 

I Linguaggi

Per quanto riguarda l' Assembler, abbiamo detto prima : MPASM scaricabile gratuitamente dal sito di Microchip è una ottima scelta. Ovviamente in rete si trovano vari altri assembler, ma non si vede proprio la necessità di andare a cercare un prodotto diverso. Molti sono gratuiti, e non valgono certo MPASM ; quelli a pagamento possono avere qualche feature in più, ma a costi di una scrittura che non è compatibile con MPASM e può mettere in difficoltà passando dall' uno all' altro. Fino a che non se ne sente la necessità, MPASM è sicuramente la scelta migliore. Tra l' altro, MPASM è una utility integrata nell' ambiente di sviluppo MPLAB, ma può funzionare e produrre oggetti e liste anche separatamente.

Per quanto riguarda i linguaggi ad alto livello, esistono C, Pascal, BASIC, oltre ad altri specifici, tutti reperibili sia gratuitamente che a pagamento, a seconda del prodotto. Microchip offre versioni di C, mentre altri produttori (Hitech, CCS, ecc) hanno versioni del compilatore adatte per le varie famiglie. Escluse le versioni lite, demo o di piccola portata, si tratta di prodotti a pagamento. In generale il consiglio è quello di evitare i linguaggi marginali, come ad esempio JAL, che sono poco più di un divertimento intellettuale, per dare spazio ai compilatori di maggior nome, che, a parte il costo, hanno le maggiori probabilità di essere aggiornati al numero maggiore possibile di processori.

Solitamente tutti i produttori offrono versioni lite che, a fronte di qualche limitazione, sono gratuite e per iniziare vanno benissimo, dato che all' inizio non si pretenderà certo di sfruttare al 100% le prestazioni dell' ambiente.

Il Programmatore

Sarà necessario avere un dispositivo di programmazione: una volta scritto il codice e compilato l' eseguibile, bisogna cacciarlo nel chip, attraverso il programmatore.  Il WEB è infestato da decine e decine di programmatori, da quelli costituiti praticamente da niente ai più complessi; moltissimi sono gratuiti per il fatelo da voi, altri disponibili in kit o montati, a pagamento.

Il consiglio è quello di evitare i prodotti più semplici, che non sono semplici, ma semplicistici; andranno bene per giocare ( spesso neanche per quello...), ma se siete interessati a lavorare in modo serio (o, perlomeno, a non buttare il inutilmente il vostro tempo), vale la pena di scegliere qualcosa di più evoluto, che, comunque, si trova anche sotto forma di progetto gratuito o di kit a basso costo. Sono da evitare principalmente i programmatori alimentati direttamente dalle porte del PC, per i motivi detti prima : niente di peggio di un trespolo che programma il chip a caso per trasformare in un inferno una attività interessante ed istruttiva.

Comunque una occhiata sui vari forum potrà dare una idea di quanto poco valgano e a quanti problemi portino le varie autocostruzioni e i vari cloni, che sconsigliamo vivamente.

Microchip offre dispositivi interessanti, come PICSTART plus , che programma praticamente tutti i PIC in DIP, è integrato in MPLAB, ma non costa pochissimo.  Però i vari Pickit e ICD fungono sia da debugger che da programmatori e costano poche decine di euro.

La soluzione per un programmatore, dunque, è molto semplice:

Noi consigliamo vivamente il nostro  programmatore  , ultra semplice, ma realmente esenziale, facilmente realizzabile in casa, economicissimo e sicuramente funzionante, da abbinare con uno dei tools di Microchip, come i Pickit.

Esso sfrutta la funzione ICSP che è il fondamento della scrittura dei chip e che è gestita al meglio dai noti Pickit o RealIce o ICD, con la sicurezza di avere sempre un mezzo aggiornato e affidabile.

Esistono altre possibilità di programmazione:

• La funzione di programmazione a bassa tensione (LVP). Programmatori LVP sono adatti a tutti i nuovi chip flash e si trovano in rete sia schemi  (gratis) che kit o prodotti finiti, a costi anche molto bassi. La programmazione LVP però determina la perdita di un pin che va dedicato a questa funzione e non è disponibile per tutti i chip.
   

• Esiste la possibilità ulteriore di caricare i programmi con un bootloader.

Qualunque modo si scelga per programmare il chip, è opportuno scegliere un oggetto sufficientemente serio: 
una volta caricato il codice nel chip, non c'è modo di vedere ad occhio se tutti i bit sono a posto e una volta avviato, se il sistema non funziona, diventa molto difficile capire che il problema sta in una cattiva programmazione.

Debugger- Emulatori

Una ottima cosa sarebbe quella di avere sotto mano un ICE, ovvero un emulatore in tempo reale. Un ICE ha lo scopo di sostituire il microntroller nel circuito con un plug che lo emula, sotto la supervisione diretta dell' ambiente di sviluppo. In questo modo si potranno, ad esempio, far avanzare le linee del programma una ad una, comandare direttamente gli I/O, modificare i registri, fissare breakpoint nell' esecuzione, sincronizzarsi con segnali esterni, ecc. Con un attrezzo del genere si viene a capo di praticamente qualsiasi groviglio hardware e software. Microchip  produce un MPLAB-ICE200 che, con gli opportuni adattatori, permette una reale emulazione in-circuit dei PIC. Il problema è che un ICE simile costa parecchio ed è quindi qualcosa di riservato al professionista.  

In ogni caso, la tendenza attuale è quella di utilizzare il motore interno di debug (ICD), con i vari tools di Microchip, in ordine di costo: Pickit ICD RealIce

Di nuovo, anche se in rete sono disponibili cloni di debugger, se ne sconsiglia vivamente tanto la auto costruzione sia l' acquisto. Per esperienza raramente sono la scelta giusta e sono fonte di problemi.

La breadboard

Per sviluppare un progetto qualunque ed il relativo software, bastano carta e penna, pardon, editor e PC, ma se poi vogliamo vederlo funzionare occorre realizzare un circuito hardware in cui fare agire questo software. Solitamente il "programmatore", di hardware e di elettronica ne sa poco o nulla. Sfortunatamente per lui, il microcontroller è strettamente legato al circuito in cui sta, dato che la sua funzione è ben diversa da quella del gestore di un data base o di un programma di contabilità.
Questo non vuol dire che chi non è ingegnere elettronico non può usare i PIC; vuol solo dire che occorre un minimo di conoscenza dei circuiti elettrici.

E per realizzarsi il proprio circuito ci sono tre vie :
 
- un fate-lo-da-voi totale, adatto a bricoleurs esperti che si realizzano da se il circuito stampato, o impiegano una scheda millefori : é una scelta economica, ma  ideale solo per chi ama lavorare di saldatore ed ha la sufficiente conoscenza ed esperienza. Ha lo svantaggio che le parti saldata sono difficilmente recuperabili per una applicazione del tutto differente.
 

Una seconda possibilità, che consente di fare molto senza mettere mano al saldatore, è quella di usare una breadboard per esperimenti, di quelle che permetto il contatto senza saldature, molto comuni in scuole e laboratori. Se ne trovano a iosa in rete, anche su eBay e a costi veramente minimi. Con questo supporto si potranno realizzare infiniti prototipi ed esperimenti, potendo riutilizzare senza fatica le varie parti e potendo modificare il circuito senza saldare nulla. Costa qualcosa in più della prima scelta, ma non richiede l' attrezzatura per fare circuiti stampati, ne saldatore, quindi, alla fine, la scelta paga. Richiede, però, comunque, una conoscenza dell' elettronica, dei componenti, dei circuiti .

 
- una terza via è quella di utilizzare una scheda sperimentale commerciale. Decine di produttori hanno a disposizione ogni genere di board, dalle più elementari alle più complesse, con i costi più variabili. In queste strutture sono già pre montati display, tastiere, potenziometri, alimentatori e perfino interfacce di programmazione, accesso a  SD card, Ethernet, CAM, e chi più ne ha più ne metta. Sono la soluzione che più si adegua a chi è interessato alla programmazione più che alla realizzazione di circuiti stampati, in quanto le varie componente sono nelle condizioni di essere viste quanto più possibile come black box da trattare via software, limitando il più possibile gli interventi sull' hardware. E' la scelta assolutamente da fare sia per chi non ha sufficienti conoscenze di elettronica per il bricolage, sia per chi è interessato a dare maggior peso alla programmazione, liberandosi dei molti problemi che può presentare la realizzazione di un hardware do-it-yourself.
 
mikroElektronika, ad esempio, vende ottimi prodotti, anche assai completi, e non solo per PIC, a costi per nulla eccessivi. Inoltre offre molti accessori dedicati, oltre a linguaggi BASIC, C  e Pascal ed il sito contiene molte utili informazioni. 
La stessa Microchip offre schede di valutazione, ma i costi non sono sempre bassi. Però un PIC kit1 costa allo shop in rete Microchip Direct  solo 24 $, meno del costo dei componenti acquistati singolarmente in rete. 
Olimex offre una buona gamma di prodotti non solo per PIC a costi molto contenuti. Inoltre produce circuiti stampati per prototipi ed è collegata ad un forum di utenti.
Ci sono in rete moltissimi altri produttori; tanto per citarne alcuni Apogee, SK Pang ,Modtronix, MCPros , Rentron , Warburtech e tanti altri, ognuno con soluzioni differenti, non solo per i PIC, ma anche per gli altri microcontrollori più diffusi : basta fare una ricerca con Google per trovare in poco tempo quello che si sta cercando.
Una board del genere di EasyPIC4 di mikroElektronika costa un centinaio di euro, ma offre un ambiente hardware assolutamente completo, dai display LCD alle pulsantiere, dall' USB all' Ethernet, all' interfaccia con SD Card, accelerometri, potenziometri, CAN, I2C, ecc, tutto a portata di mano senza fare saldature : costa, ma di meno di quanto costerebbe acquistare le singole parti ed assiemare il tutto.

Noi, per i nostri corsi, ma anche per lo sviluppo di progetti in Laboratorio, utilizziamo la nostra  UniBoard per i PIC a 28-40pin e la MiniDemoBoard  per i PIC a 18 pin, che uniscono flessibilità estrema e costo limitato, potendo anche realizzarle home-made. Si tratta di oggetti realizzati in base all' esperienza pluri decennale, intuitivi da utilizzare e che concedono la massima libertà allo sperimentatore ed un completo supporto allo studente.

L' Editor

E' molto utile avere anche un buon editor : una cosa è scrivere una lettera o una mail, un' altra è scrivere centinaia di linee di codice e capirci poi qualcosa. Per cui, niente Word : meglio un editor adeguato. Certamente in MPLAB c'è un editor, ma questo serve più ad agire sul sorgente durante il debug che non a scrivere il sorgente stesso. Per questo serve un editor che sia in grado, ad esempio, di colorare automaticamente le varie parti del testo, in modo da evidenziare codici, commenti, labels, ecc. Chiaro che si può usare anche l' eccessivamente spartano Notepad di Windows, ma con un buon tools, la fatica si dimezza. 

Ottimo si è rivelato TEXTPAD, downloadabile in trial e poi shareware acquistabile a basso costo, ma ce ne sono molti altri.

Tools di comunicazione

Sarà poi opportuno avere qualche tools di comunicazione se si intende lavorare con le porte seriali; è utile disporre di qualcosa del genere di Hyperterminal, che, anche se fa abbastanza schifo, è in già presente in Windows e, in mancanza di qualcosa di meglio... 

Però si trova diversa roba migliore in rete for free. Siti come MajorGeeks o SoftPlaz o Winfiles e simili sono una fonte preziosa di utilities, come Realterm o Terminal.exe.
Trattandosi di tools non di uso comune, molti hanno licenza shareware e sarebbe giusto pagare i pochi dollari che solitamente gli autori chiedono. 

 Istruzione, istruzione ...

A questo punto, basta scaricarsi uno dei tanti corsi gratuiti disponibili sul WEB e cominciare con i semplici esempi che tutti riportano. Ci sono corsi in italiano, ma più interessanti in inglese, francese, tedesco, lingue slave e perfino in turco,  arabo, coreano e giapponese. Inoltre esistono anche corsi a pagamento ed enti e scuole, e anche università,  hanno il PIC come argomento delle loro lezioni.
Basta dare una occhiata sul WEB col solito Google per trovare quello che fa per noi.

Esistono anche svariati newsgroup di utenti; come è solito di questi luoghi, a volte la qualità è quanto mai bassa, ma, dato l' aspetto tecnico dell' argomento, capita spesso di poter trovare risposta a molti dei propri problemi (relativi ai microcontrollori, si intende...) o, almeno, qualche buona dritta. Ce ne sono anche in italiano, fortunatamente.

Qui noi stiamo pubblicando numerose pagine di tutorial e altre informazioni.

La documentazione

Certamente non si fa nulla senza una buona documentazione. Nel passato era tutto cartaceo (e sotto certi punti di vista non era un male); ora è tutto disponibile in rete. Ovviamente sul sito della Mamma trovate tutto quello che serve, dai data sheets dei singoli chip, a schemi applicativi, codice a chili, utilities e quant'altro (attenzione perchè le application o i codici disponibili in rete non sempre sono ok al 100%).
 
L' unica sfortuna è che tutto quanto è in inglese, perchè, come abbiamo detto, l' elettronica si è sviluppata in ambiente anglofono. D'altronde Microchip è in Arizona e non in Puglia, per cui toglietevi dalla testa di poter trovare più che tanto in idioma nostrano  (che, tra l'altro, è così poco importante a livello internazionale da essere stato escluso da alcune traduzioni dal vivo in ambiente UE, il che è tutto dire). 

Semplicemente non c'è e non ci sarà mai ! Nessuno , al di fuori dell' Italia, che tecnologicamente conta zero, parla italiano, al di la del Canton Ticino (che è italiano solo formalmente, mentre si tratta, tra la gente, di un dialetto lombardo); perfino la nostrana SGS (ora ST) scriveva i data sheet dei componenti prodotti ad Agrate Brianza prima in inglese e solo dopo li traduceva in Italiano.
Pertanto una conoscenza dell' inglese è INDISPENSABILE, sia per leggere le documentazioni, sia perchè le voci usate in informatica e persino i nomi o gli acronimi dati alle istruzioni sono inglesi. Non occorre un master a Oxford, in quanto il linguaggio tecnico è piatto e facilmente comprensibile, non facendo uso che di vocaboli specifici e senza tutte le finezze della prosa e della poesia o i modi di dire del parlare comune anglosassone o americano. Un ragazzino di terza media, che qualcosa di inglese abbia realmente fatto a scuola (raro, ma possibile ...), non è in grado certamente di apprezzare Joyce, ma, a parte la conoscenza dei termini tecnici, può leggere quello che scrivono gli autori americani dei vari corsi on-line. Una persona interessata ad un argomento tecnico, poi, avrà ancor più facilità. 

Il rifiuto di apprendere quel poco di pensiero anglofono che permette l' accesso alla tecnica elettronica , tipico di tanti connazionali ("io di inglese non capisco nulla, a scuola l'ho studiato male, ecc. ecc") è sicuramente la via migliore per non avanzare per niente nelle proprie conoscenze.

In ogni caso, qui stiamo portando avanti il progetto di una analisi dei PIC18F attraverso la lettura del foglio dati.

I links

Nella pagina dei links sono raccolti diversi indirizzi, grosso modo per categoria, a cui fare riferimento per avere maggiori informazioni.

Cosa costa il tutto ?

Difficile a dirsi : dipende da cosa scegliete. Da poche decine di euro per un set hobbistico a varie centinaia per una attrezzatura professionale

Complessivamente vedete bene ce la si può cavare con poco : programmare è più un lavoro di mente che non di mani. Si può partire quasi con nulla, anche se spendendo qualcosa per delle buone basi, si risparmierà poi in tempo e fatica. Però non è necessario disporre di tutti i ritrovati della scienza e della tecnica, a meno che se ne debba fare un uso professionale, che è un ambito differente da quello che vogliamo trattare.