Программирование Arduino даёт не только огромный простор для фантазии и возможностей, но, как и любой фреймворк, одновременно навязывает свой стиль и ограничивает возможности.
Поэтому, если чувствуется, что Arduino становится тесноват — можно не только перейти на 32-битные контроллеры (например, STM32), но и попробовать более низкоуровневое программирование контроллеров.

Уходя ближе «к железу» — программировать придётся на более близком к железу уровне — и если это не ассемблер, то уж язык программирования Си — точно.
Пример подобного программирования уже приводился в статье Arduino/CraftDuino и WinAVR — программируем на чистом С.
У такого стандартного программирования микроконтроллеров есть существенное преимущество перед использованием Arduino-вских скетчей.
Однако, за низкоуровневый полный контроль и возможность использовать все ресурсы микроконтроллера, приходится расплачиваться долгим и внимательным изучением документации (datasheet-а) на микроконтроллер.
Т.е., если у вас ещё не было опыта работы с конкретным микроконтроллером — то вместо быстренького набрасывания скетча для решения своей задачи — вам придётся потратить дополнительное время на изучение мат. части.

Разумеется, не всегда это может быть оправдано и если задачу нужно и можно быстро решить при помощи Arduino — то почему бы и нет?
Однако, если решение задачи на Arduino невозможно, то придётся потратить время на получение ценных опыта и знаний, которые помогут открыть все возможности, которые под силу микроконтроллеру.

Для примера, возьмём меленький, простой и дешёвый контроллер ATtiny13.

ATtiny13

8-битный AVR микроконтроллер с 1 КБ программируемой Flash памяти

— RISC архитектура
— 120 команд, (большинство выполняется за один такт)
— 32 8-битных регистра общего применения
— 1 КБ программируемой Flash памяти программы
— 64 байта EEPROM памяти данных, (до 100 000 циклов записи/стирания)
— 64 байта SRAM памяти (статическое ОЗУ)
— Один 8-разрядный таймер/счётчик с отдельным предделителем и два ШИМ канала
— 4-канальный 10-битный АЦП со встроенным ИОН
— Программируемый сторожевой таймер (watchdog) со встроенным генератором
— Встроенный аналоговый компаратор
— Внутрисистемное программирование через SPI порт
— Внешние и внутренние источники прерывания
Корпусное исполнение:
— 8-выводные PDIP и SOIC корпуса: 6 программируемых линий ввода-вывода

Диапазон напряжения питания, частота:
1.8 – 5.5В (для ATtiny13V) — до 10МГц
2.7 – 5.5В (для ATtiny13) — до 20МГц

Выводы микроконтроллера ATtiny13:

Документация на ATtiny13:

ATtiny13 datasheet

Как видим, микросхема микроконтроллера — маленькая — всего 8 ножек.
Чтобы заставить её работать — нужно просто воткнуть её в макетную плату, подтянуть RESET (первый пин — на схеме обозначается — PB5) к шине питания через 10-килоомный резистор и подать питание — например, 5V снятые с пинов питания контроллера Arduino / CraftDuino.

Разумеется, желательно, ещё повесить конденсатор в 0.1 мкФ между шинами питания.

Подключение ATtiny13 через SPI к CraftDuino

В статье Делаем ISP-программатор из Arduino, уже подробно расписано как нужно подключить микроконтроллер ATtiny13 к контроллеру Arduino или CraftDuino, чтобы его можно было программировать через выводы микросхемы FT232RL используя режим bit-bang (режим управления отдельными выводам микросхемы). Поэтому сразу переходим к софтовой части.

Atmel Studio

Раз решили программировать «по-взрослому», то и среда разработки нужна «взрослая».
Идём на сайт Atmel-a, и скачиваем свежую версию Atmel Studio.

Atmel Studio — (наследница AVR Studio) — это бесплатная среда разработки для микроконтроллеров Atmel.
Сама IDE должна быть знакома, т.к. используется оболочка от Microsoft Visual Studio, однако следует обратить внимание, что в качестве компилятора используется GCC.

После установки, на рабочем столе появится ярлык с симпатичной красной божьей коровкой. Запускаем IDE и привычным образом, быстренько создаём проект.
File -> New -> Project...
Выбираем С/С++ и GCC C Executable Project, пишем имя проекта, например, blink :)
Затем, среда предложит выбрать тип используемого микроконтроллера — выбираем ATtiny13.
Всё — шаблонный файл уже создан и можно начинать программировать:



Предлагаемый шаблон программы — напоминает что-то знакомое:

#include <avr/io.h>

int main(void)
{
    while(1)
    {
        //TODO:: Please write your application code 
    }
}

Соответствие функций Arduino на Си

Описание работы портов микроконтроллера и используемых для насткройки и работы регистров, очень подробно приводится в документации на микроконтроллер — ATtiny13 datasheet.

Как увидим далее, конфигурирование и работа с портами сводится к установке соответствующих битов в нужных регистрах микроконтроллера.
Если вы уже имели дело с установкой/проверкой/очисткой битов (работа с битовыми масками), то вам будет проще разобраться в происходящем.
Но, на всякий случай, напомню:
чтобы установить бит N — нужно выполнить побитовое ИЛИ с числом, где этот бит установлен (чтобы получить такое число — мы побитово сдвигаем влево единицу на заданное число позиций).
Соответственно, чтобы сбросить бит N — нужно выполнить побитовое И с числом в котором установлены все биты кроме заданного (чтобы получить такое «интвертированное число» — мы сначала получаем число в котором бит установлен, а потом применяем к нему операцию побитового НЕ).

value |= 1 << N; 	// установить бит N
value &= ~(1 << N); // сбросить бит N

Так как процедура установки бита встречается чрезвычайно часто — для неё даже есть удобный макрос

#define _BV(bit) (1 << (bit)) 

, который рекомендуется к использованию.

Для простоты понимания Си-шных методов работы, сопоставим им функции Arduino.

Базовые функции управления портами (см. datasheet стр. 48):

// устанавливаем вывод 4 вывод порта B (PB4) как выход 
DDRB |= (1 << PB4); 	// pinMode(PB4, OUTPUT); 

// устанавливаем вывод PB4 как вход
DDRB &= ~(1 << PB4); 	// pinMode(PB4, INPUT);   

// устанавливаем высокий уровень на выводе PB4            
PORTB |= (1 << PB4); 	// digitalWrite(PB4, HIGH);

// устанавливаем низкий уровень на выводе PB4
PORTB &= ~(1 << PB4); 	// digitalWrite(PB4, LOW);

// Чтение состояния(лог. 1) на порту ввода - вывода (4 вывод порта B):
if(PINB & (1 << PINB4)) // if (digitalRead(4) == HIGH)
{
	...
}

// Чтение состояния(лог. 0) на порту ввода-вывода (4 вывод порта B):
if(!(PINB & (1 << PINB4))) // if(digitalRead(4) == LOW)
{
	...
}

В принципе, хотя у ATtiny13 всего 1 килобайт флеша на котором сильно не разгуляешься, но даже для этой крохи частично реализован Arduino-вский фреймворк — Core13.
В нём есть реализации для:

map()
random()
randomSeed()
millis()
micros()
delay()
delayMicroseconds() *
analogRead()
analogWrite()
pinMode()
digitalRead()
digitalWrite()

Подробнее про использование Core13 можно прочитать здесь: Прошивка и программирование ATtiny13 при помощи Arduino.
Но даже если использовать Arduino IDE не собираетесь — взглянуть на код всё равно стоит, чтобы проверить как работает и что скрывается за реализацией функций Arduino:

Реализация функций digitalWrite() и digitalRead() из Core13 (core13_022_arduino_1_6)

void digitalWrite(uint8_t pin, uint8_t val){
	if(pin > 5 || pin < 0){return;}
	if(pin<2){turnOffPWM(pin);} //If its a PWM pin, make sure the PWM is off
	if(!val){
		PORTB &= ~_BV(pin);
	} else {
		PORTB |= _BV(pin);
	}
}
uint8_t digitalRead(uint8_t pin){
	if(pin > 5 || pin < 0){return 0;}
	if(pin < 2) turnOffPWM(pin); //If its PWM pin, makes sure the PWM is off
	return !!(PINB & _BV(pin));
}

Даже здесь используется много проверок, что разумеется даёт «защиту от дурака», но и является причиной, почему при использовании Arduino-вских функций производительность кода будет ниже.

Частота работы микроконтроллера

По-умолчанию, микроконтроллер ATtiny13 работает на частоте 1.2 МГц — определяется фьюз-битами (так называются специальные конфигурационные биты, находящиеся в специальных ячейках памяти и отвечающие за параметры конфигурации всего МК).
Младший фьюз-байт lfuse = 0x6A
Старший фьюз-байт hfuse = 0xFF

Посмотреть, что означают эти параметры можно в удобном калькуляторе фьюзов для AVR — AVR Fuse Calculator.
В калькуляторе, можно увидеть, что меняя значение младшего фьюз-байта с 0x6A на 0x7A — мы получим работу микроконтроллера на частоте 9.6 МГц за счёт отключения делителя тактового сигнала на 8 (CKDIV8).
9.6 МГц / 8 = 1.2 МГц.

Посмотреть текущие значения фьзов можно при помощи avrdude, командой:

avrdude -C avrdude.conf  -c  ftbb -P ft0 -B 9600 -p attiny13 -U lfuse:r:low_fuse_val.hex:h -U hfuse:r:high_fuse_val.hex:h

— получим два файла — low_fuse_val.hex и high_fuse_val.hex с шестнацетиричным значением соответствующих фьюзов.

Blink для ATtiny13

Теперь, зная частоту работы контроллера и базовые методы работы с портами, можем написать микроконтроллерный Hello World — а именно — Arduino-вский — Blink:

// 1.2 MHz (default) built in resonator
#define F_CPU 1200000UL

#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

#define LED_BIT _BV(PB4)

int main()
{
	DDRB |= LED_BIT; // OUTPUT

	while (1)
	{
		PORTB |= LED_BIT; // HIGH
		_delay_ms(1000);
		PORTB &= ~LED_BIT; // LOW
		_delay_ms(1000);
	}
}

Выбираем тип сборки — Release и жмём F7 для сборки проекта (Build -> Build Solution).

Чтобы проверить работу программы — подключаем к третьей ножке (PB4) светодиод с токоограничительным резистором:

Прошивка МК ATtiny13

Остаётся прошить наш микроконтроллер.
Можно взять готовый hex-файл из папки проекта и используя avrdude, прошить МК командой:

avrdude -C avrdude.conf  -c  ftbb -P ft0 -B 9600 -p attiny13 -U flash:w:blink.hex

А можно, для удобства прошивки, соответствующим образом настроить Atmel Studio.

Настройка Atmel Studio для прошивки МК ATtiny13 через avrdude

Настроить Atmel Studio для прошивки МК ATtiny13 через avrdude, очень просто.

Идём в меню
Tools -> External Tools

И добавляем нашу тулзу — avrdude:

Title:
Deploy ATtiny13

Command:
C:\ArduBoot\avrdude.exe

Arguments:
-C C:\ArduBoot\avrdude.conf -c ftbb -P ft0 -B 9600 -p attiny13 -U flash:w:$(TargetDir)$(TargetName).hex:i

Чтобы видеть лог процесса прошивки — нужно поставить галочку рядом с пунктом «Use Output window».

Вот и всё.
Теперь, чтобы прошить МК нужно зайти в меню Tools и выбрать наш пункт «Deploy ATtiny13».

Ссылки:
Делаем ISP-программатор из Arduino
Arduino/CraftDuino и WinAVR — программируем на чистом С
Про фьюзы
ATtiny13 datasheet
Atmel Studio
AVR Fuse Calculator
AVR-GCC :: СОВМЕСТИМОСТЬ КОДА
Прошивка и программирование ATtiny13 при помощи Arduino
Core13
How to integrate AVRDude with Atmel Studio
ADC and PWM basics on the ATtiny13 (github)
<avr/interrupt.h>: Interrupts

По теме:
Как запустить код Arduino на ATtiny
Arduino как фреймворк
Что за язык программирования используется для Arduino?
КМБ для начинающих ардуинщиков
Ардуино что это и зачем?
Почему Arduino побеждает и почему он здесь, чтобы остаться?
Arduino, термины, начало работы