Вы еще не программируете микроконтроллеры? Тогда мы идем к вам!
Здравствуйте, уважаемые Хабражители!
В этой статье я хочу рассказать о том, как однажды решил начать программировать микроконтроллеры, что для этого понадобилось и что в итоге получилось.
Тема микроконтроллеров меня заинтересовала очень давно, году этак в 2001. Но тогда достать программатор по месту жительства оказалось проблематично, а о покупке через Интернет и речи не было. Пришлось отложить это дело до лучших времен. И вот, в один прекрасный день я обнаружил, что лучшие времена пришли не выходя из дома можно купить все, что мне было нужно. Решил попробовать. Итак, что нам понадобится:
1. Программатор
Для прошивки надо соединить выходы программатора VCC, GND, RESET, SCK, MOSI, MISO с соответствующими выходами микроконтроллера. Для простоты я собрал вспомогательную схему прямо на макетной плате:
Слева на плате — тот самый микроконтроллер, который мы собираемся прошивать.
2. Микроконтроллер
С выбором микроконтроллера я особо не заморачивался и взял ATmega8 от Atmel — 23 пина ввода/вывода, два 8-битных таймера, один 16-битный, частота — до 16 Мгц, маленькое потребление (1-3.6 мА), дешевый ($2). В общем, для начала — более чем достаточно.
Под Linux для компиляции и загрузки прошивки на контроллер отлично работает связка avr-gcc + avrdude. Установка тривиальная. Следуя инструкции, можно за несколько минут установить все необходимое ПО. Единственный ньюанс, на который следует обратить внимание — avrdude (ПО для записи на контроллер) может потребовать права супер-пользователя для доступа к программатору. Выход — запустить через sudo (не очень хорошая идея), либо прописать специальные udev права. Синтаксис может отличаться в разных версиях ОС, но в моем случае (Linux Mint 15) сработало добавление следующего правила в файл /etc/udev/rules.d/41-atmega.rules :
После этого, естественно, необходим перезапуск сервиса
Компилировать и прошивать без проблем можно прямо из командной строки (кто бы сомневался), но если проектов много, то удобнее поставить плагин AVR Eclipse и делать все прямо из среды Eclipse.
Под Windows придется поставить драйвер. В остальном проблем нет. Ради научного интереса попробовал связку AVR Studio + eXtreme Burner в Windows. Опять-таки, все работает на ура.
Начинаем программировать
Программировать AVR контроллеры можно как на ассемблере (AVR assembler), так и на Си. Тут, думаю, каждый должен сделать свой выбор сам в зависимости от конкретной задачи и своих предпочтений. Лично я в первую очередь начал ковырять ассемблер. При программировании на ассемблере архитектура устройства становится понятнее и появляется ощущение, что копаешься непосредственно во внутренностях контроллера. К тому же полагаю, что в особенно критических по размеру и производительности программах знание ассемблера может очень пригодиться. После ознакомления с AVR ассемблером я переполз на Си.
После знакомства с архитектурой и основными принципами, решил собрать что-то полезное и интересное. Тут мне помогла дочурка, она занимается шахматами и в один прекрасный вечер заявила, что хочет иметь часы-таймер для партий на время. БАЦ! Вот она — идея первого проекта! Можно было конечно заказать их на том же eBay, но захотелось сделать свои собственные часы, с блэк… эээ… с индикаторами и кнопочками. Сказано — сделано!
Разбор полета
Рассмотрим каждую функцию в отдельности.
Настройка портов ввода/вывода происходит очень просто — в регистр DDRx (где x — буква, обозначающая порт) записивается число, каждый бит которого означает, будет ли соответствующий пин устройством ввода (соответствует 0) либо вывода (соответствует 1). Таким образом, заслав в DDRB и DDRD число 0xFF, мы сделали B и D портами вывода. Соответственно, команда DDRC = 0b11100000; превращает первые 5 пинов порта C во входные пины, а оставшиеся — в выходные. Команда PORTC |= 0b00011111; включает внутренние подтягивающие резисторы на 5 входах контроллера. Согласно схеме, к этим входам подключены кнопки, которые при нажатии замкнут их на землю. Таким образом контроллер понимает, что кнопка нажата.
Далее следует настройка двух таймеров, Timer0 и Timer1. Первый мы используем для обновления индикаторов, а второй — для обратного отсчета времени, предварительно настроив его на срабатывание каждую секунду. Подробное описание всех констант и метода настройки таймера на определенноый интервал можно найти в документации к ATmega8.
При срабатывании таймера управление передается соответствующему обработчику прерывания. В нашем случае это обработчик TIMER0_OVF_vect, который вызывает процедуру вывода времени на индикаторы, и TIMER1_COMPA_vect, который обрабатывает обратный отсчет.
Вывод на индикаторы
Функция display использует метод динамической индикации. Дело в том, что каждый отдельно взятый индикатор имеет 9 контактов (7 для управления сегментами, 1 для точки и 1 для питания). Для управления 4 цифрами понадобилось бы 36 контактов. Слишком расточительно. Поэтому вывод разрядов на индикатор с несколькими цифрами организован по следующему принципу:
Напряжение поочередно подается на каждый из общих контактов, что позволяет высветить на соответствующем индикаторе нужную цифру при помощи одних и тех же 8 управляющих контактов. При достаточно высокой частоте вывода это выглядит для глаза как статическая картинка. Именно поэтому все 8 питающих контактов обоих индикаторов на схеме подключены к 8 выходам порта D, а 16 управляющих сегментами контактов соединены попарно и подключены к 8 выходам порта B. Таким образом, функция display с задержкой в 0.25 мс попеременно выводит нужную цифру на каждый из индикаторов. Под конец отключаются все выходы, подающие напряжение на индикаторы (команда PORTD = 0; ). Если этого не сделать, то последняя выводимая цифра будет продолжать гореть до следующего вызова функции display, что приведет к ее более яркому свечению по сравнению с остальными.
Прототип был собран на макетной плате:
После тестирования прототипа пришло время все это добро разместить в корпусе, обеспечить питание и т.д.
Ниже показан окончательный вид устройства. Часы питаются от 9-вольтовой батарейки типа “Крона”. Потребление тока — 55 мА.
Заключение
Советы начинающим программистам микроконтроллеров
Очень давно хотелось поделиться своим опытом, с начинающими радиолюбителями, потому что об этом пишут очень мало и разрозненно. Мой опыт не хороший, не плохой, он такой какой есть. С некоторыми утверждениями вы в праве не согласиться и это нормально, ведь у каждого свое видение ситуации. Цель данного материала, обратить внимание читателя на некоторые вещи, что то взять на заметку и сформировать собственное мнение и видение ситуации, ни в коем случае нельзя воспринимать это как истину.
1. Многие начинающие электронщики не знают с чего начать, поэтому спрашивают совета. Большинство бывалых радиолюбителей ответят, что начни собирать какую нибудь схему. Естественно в голове любого начинающего сразу мелькает LCD дисплей с jpeg картинками, какой нибудь mp3 плеер или часы, без малейшей мысли о том, что не имея базовых знаний это неподъемная задача.
Я категорически против такого подхода. Обычно это все заканчивается — либо ничем, либо забитые форумы с мольбами помочь. Даже если кому то помогают, то в 90% он больше никогда не всплывет на сайтах по электронике. В остальных 10% он так и продолжает заливать форумы мольбами, его будут сначала пинать, затем поливать грязью. Из этих 10% отсеивается еще 9%. Далее два варианта: либо таки до глупой головы доходит и все же происходит goto к началу, либо в особо запущенных вариантах, его удел копировать чужие конструкции, без единой мысли о том как это работает. Из последних зачастую рождаются ардуинщики.
Путь с нуля на мой взгляд заключается в изучении периферии и особенностей, если это микроконтроллер. Правильнее сначала разобраться с тем как дрыгать ножками, потом с таймерами, затем интерфейсами. И только тогда пытаться поднимать свой FAT. Да это не быстро, да это потребует времени и усилий, но практика показывает, как бы вы не пытались сократить этот путь, все равно всплывут проблемы, которые придется решать и время вы потратите куда больше, не имея этой базы.
Только не нужно путать теплое и мягкое. Первое — из всех правил есть исключения, лично видел людей, которые в руках раньше не держали микроконтроллеров, но за крайне короткий срок смогли обскакать бывалых опытных радиолюбителей, их в расчет не берем. Второе — мне попадались личности, которые начинали с копирования схем и сходу разбирались, но скорее это тоже исключение из правил. Третье — и среди ардуинщиков попадаются опытные программисты, это ведь всего навсего платформа, но и это скорее исключение.
Если говорить об общей массе, то дела обстоят именно так как я описал вначале: нежелание разбираться с основами, в лучшем случае оттягивает момент того, когда придется вернуться к этим вопросам. В худшем случае, вы быстро упретесь в потолок своих знаний и все время винить в своих проблемах кого то другого.
2. Перед решением задачи, дробите ее до абсурда вплоть до «припаять резистор», это помогает, проверено. Мелкие задачи решать куда проще. Когда большая задача разбита на кучу мелких действий, то все что остается — это выполнить их. Могу привести еще один годный совет, хоть он вам и покажется бредовым — заведите блокнотик и пишите в него все что собираетесь сделать. Вы думаете, итак запомню, но нет. Допустим сегодня у меня хорошее настроение и думаю о том, как собрать плату. Запиши план действий: сходить купить резистор, подготовить провода, сделать крепление дисплея. Потом все забудешь, откроешь блокнотик и смотришь — ага сегодня настроение попилить и построгать, сделаю крепление. Или собираешь ты плату и уже осталось допаять последний компонент, но не тут то было резисторы кончились, вот записал бы перед тем как паять, то вспомнил.
3. Не пользуйтесь кодогенераторами, нестандартными фичами и прочими упрощалками, хотя бы на первых этапах. Могу привести свой личный пример. Во времена активного использования AVR я пользовался кодогеном CAVR. Меня он полностью устраивал, хотя все говорили, что он кака. Звоночки звенели постоянно, были проблемы с библиотеками, с синтаксисом, с портированием, но было тяжело от этого отказаться. Я не разбирался как это работает, просто знал где и как поставить галочки.
Кол в мой гроб был вбит с появлением STM32, нужно было обязательно переползать на них, вот тогда то и появились проблемы. Проблемы мягко сказано, фактически мне пришлось осваивать микроконтроллеры и язык Си с нуля. Больше я не повторял прошлых ошибок. Надо сказать это уже пригодилось и не один раз. С тех пор мне довелось поработать с другими платформами и никаких затруднений не испытываю, подход оправдывает себя.
По поводу всех улучшалок и упрощалок, было одно очень хорошее сравнение, что они подобны инвалидным коляскам, которые едут по рельсам, можно ехать и наслаждаться, но вставать нельзя, куда везут — туда и приедешь.
4. Изучайте язык Си. Эх, как же часто я слышу, как начинающие радиолюбители хвалятся, что хорошо знают сишку. Для меня это стало кормом, всегда люблю проконсультироваться у таких собеседников. Обычно сразу выясняется, что язык они совершенно не знают. Могу сказать, что не смотря на кажущуюся простоту, людей которые действительно хорошо бы его знали, встречал не так много. В основном все его знают на столько, на сколько требуется для решения задач.
Однако, проблема на мой взгляд заключается в том, что не зная возможностей, вы сильно ограничиваете себя. С одной стороны не оптимальные решения, которые потребуют более мощного железа, с другой стороны не читаемый код, который сложно поддерживать. На мой взгляд, читаемость и поддерживаемость кода занимает одно из важнейших мест и мне сложно представить, как можно этого добиться не используя все возможности языка Си.
Очень многие начинающие брезгуют изучением языка, поэтому если вы не будете как все, то сразу станете на две ступени выше остальных новичков. Так же не никакой разницы, где изучать язык. На мой взгляд, микроконтроллер для этого не очень подходит. Гораздо проще поставить какую нибудь Visual studio или Qt Creator и порешать задачки в командной строке.
Хорошим подспорьем будет также изучение всяких тестов по языку, которые дают при собеседованиях. Если порыться то можно много нового узнать.
5. Изучение ассемблера? Бояться его не нужно, равно как и боготворить. Не нужно думать, что умея написать программу на ассемблере, вы сразу станете гуру микроконтроллеров, почему то это частое заблуждение. В первую очередь это инструмент. Даже если вы не планируете использовать его, то все равно я бы настоятельно рекомендовал написать хотя бы пару программ. Это сильно упростит понимание работы микроконтроллера и внутреннего устройства программ.
6. Читайте даташит. Многие разработчики, пренебрегают этим. Изучая даташит вы будете на две ступени выше тех разработчиков. Делать это крайне полезно, во первых это первоисточник, какие бы сайты вы не читали, в большинстве случаев они повторяют информацию из даташита, зачастую с ошибками и недосказанностями. Кроме того, там может находиться информация, о которой вы не задумываетесь сейчас, но которая может пригодиться в будущем. Может статься так, что вылезет какая то ошибка и вы вспомните что да, в даташите об этом было сказано. Если ваша цель стать хорошим разработчиком, то этого этапа не избежать, читать даташиты придется, чем раньше вы начнете это делать, тем быстрее пойдет рост.
7. Часто народ просит прислать даташит на русском. Даташит — это то, что должно восприниматься как истина, самая верная информация. Даже там не исключены ошибки. Если к этому добавятся ошибки переводчика, он ведь тоже человек, может даже не нарочно, просто опечататься. Либо у него свое видение, может что-то упустить, на его взгляд не важное, но возможно крайне важное для вас. Особенно смешной становится ситуация, когда нужно найти документацию на не сильно популярные компоненты.
На мой взгляд, намного проще исключить заранее весь слой этих проблем, чем вылавливать их потом. Поэтому я категорически против переводов, единственный верный совет — изучайте английский язык, чтобы читать даташиты и мануалы в оригинале. Понять смысл фразы с помощью программ переводчиков можно, даже если уровень вашего языка полный ноль.
Мною был проведен эксперимент: в наличии был студент, даташит и гугл переводчик. Эксперимент №1: студенту вручен даташит и дано задание самостоятельно найти нужные значения, результат — «да как я смогу», «да я не знаю английский», «я ничего не нашел/я не понял» типичные фразы, говорящие о том, что он даже не пытался. Эксперимент №2: тому же студенту, вручен все тот же даташит и тоже задание, с той разницей, что я сел рядом. Результат — через 5 минут он сам нашел все нужные значения, абсолютно без моего участия, без знания английского.
8. Изобретайте велосипед. Например, изучаете какую то новую штуку, допустим транзистор, дядька Хоровиц со страниц своей книги авторитетно заявляет, что транзистор усиливает, всегда говорите — НЕ ВЕРЮ. Берем в руки транзистор включаем его в схему и убеждаемся что это действительно так. Есть целый пласт проблем и тонкостей, которые не описываются в книгах. Прочувствовать их можно только, когда возьмешь в руки и попробуешь собрать. При этом получаем кучу попутных знаний, узнаем тонкости. Кроме того, любая теория без практики забудется намного быстрее.
На первоначальном этапе, мне очень сильно помог один метод — сначала собираешь схему и смотришь как она работает, а затем пытаешься найти обоснование в книге. То же самое и с программной частью, когда есть готовая программа, то проще разобраться в ней и соотнести куски кода, какой за что отвечает.
Также важно выходить за рамки дозволенного, подать побольше/поменьше напряжение, делать больше/меньше резисторы и следить за изменениями в работе схемы. В мозгу все это остается и оно пригодится в будущем. Да это чревато расходом компонентов, но я считаю это неизбежным. Первое время я сидел и палил все подряд, но теперь перед тем как поставить тот или иной номинал, всегда вспоминаю те веселые времена и последствия того, если поставить неверный номинал.
9. А как бы я сделал это, если бы находился на месте разработчиков? Могу ли я сделать лучше? Каждый раз задавайте себе эти вопросы, это очень хорошо помогает продвигаться в обучении. Например, изучите интерфейсы 1wire, i2c, spi, uart, а потом подумайте чем они отличаются, можно ли было сделать лучше, это поможет осознать почему все именно так, а не иначе. Так же вы будете осознавать, когда и какой лучше применить.
10. Не ограничивайтесь в технологиях. Важно что этот совет имеет очень тонкую грань. Был этап в жизни, когда из каждой подворотни доносилось «надо бы знать ПЛИС», «а вот на ПЛИС то можно сделать». Формально у меня не было целей изучать ПЛИСины, но и пройти мимо было никак нельзя. Этому вопросу было выделено немного времени на ознакомление. Время не прошло зря, у меня был целый ряд вопросов, касаемых внутреннего устройства микроконтроллеров, именно после общения с плисинами я получил ответы на них. Подобных примеров много, все знания, которые я приобретал в том или ином виде, рано или поздно пригодились. У меня нет ни единого бесполезного примера.
Но как было сказано, вопрос технологий имеет тонкую грань. Не нужно хвататься за все подряд. В электронике много направлений. Может вам нравится аналог, может цифра, может вы специалист по источникам питания. Если не понятно, то попробуйте себя везде, но практика показывает, что вначале лучше сконцентрироваться на чем то конкретном. Даже если нужно жать в нескольких направлениях, то лучше делать это ступеньками, сначала продавить что то одно.
11. Если спросить начинающего радиолюбителя, что ему больше нравится программирование или схемотехника, то с вероятностью 99% ответ будет программирование. При этом большую часть времени эти программисты тратят на изготовление плат ЛУТом/фоторезистом. Причины в общем то понятны, но довольно часто это переходит в некий маразм, который состоит в изготовлении плат ради изготовления плат.
В интернетах практически единственный трушный путь к программированию это стать джедаем изготовления печатных плат. Я тоже прошел через этот путь, но каждый раз задаю себе вопрос зачем? С тех пор, как я приобрел себе пару плат, на все случаи жизни, каждый раз думаю о том, что мог бы спокойно прожить все это время без самодельных плат. Мой совет, если есть хоть капля сомнений, то лучше не заморачиваться и взять готовую отладочную плату, а время и средства лучше бы потратить на программирование.
12. Следующий совет, особенно болезненный, мне очень не хочется его обсуждать, но надо. Часто мне пишут, мол ххх руб за ууу дорого, где бы подешевле достать. Вроде бы обычный вопрос, но обычно я сразу напрягаюсь от него, так как зачастую он переходит в бесконечные жалобы на отсутствие денег. У меня всегда возникает вопрос: почему бы не оторвать пятую точку и не пойти работать? Хоть в тот же макдак, хоть на стройку, потерпеть месяц, зато потом можно приобрести парочку плат, которых хватит на ближайший год. Да я знаю, что маленьких городах и селах сложно найти работу, переезжайте в большой город. Работайте на удаленке, в общем нужно крутиться. Просто жаловаться нет смысла, выход из ситуации есть, кто ищет его тот находит.
13. В ту же копилку внесу очень болезненный вопрос инструмента. Инструмент должен позволять вам максимально быстро разрабатывать устройства. Почему то очень многие разработчики не ценят свое время. Типичный пример, дешевая обжимка для клемм, на которой так любят экономить многие работодатели. Проблема в том, что она даже обжимает не правильно, из-за этого провода вываливаются. Приходится производить кучу дополнительных манипуляций, соответственно тратить время. Но как известно дурак платит трижды, поэтому низкая цена кримпера возрастет во много раз, за счет затрачиваемого времени и плохого качества обжима.
Не говорю что дешевое = плохое, нет — все зависит от ситуации. Вернусь к примеру кримпера, было время когда обжимал чем попало, поэтому часто возникали проблемы. Особенно неприятно, когда заводишь плату и она не работает, после долгих поисков ошибки понимаешь что из-за плохо обжатого проводочка, обидно. С тех пор как появилась нормальная обжимка этих проблем нет. Да внутренняя жаба и квакала, и душилась от ее стоимости, но ни разу не пожалел об этом решении. Все что я хочу сказать, что поработав с нормальным инструментом, совершенно не хочется возвращаться к плохому, даже не хочется обсуждать это. Как показывает практика, лучше не экономить на инструментах, если сомневаетесь — возьмите у кого нибудь потестить, почитайте отзывы, обзоры.
14. Заведите сайт, можно писать на нем, что угодно, просто как записки. Практика показывает, что работодатели все равно его не читают, но сам факт производит большой эффект.
15. Тонкий вопрос: профильное высшее образование, нужно ли оно? Мне известны не единичные случаи, когда люди работали абсолютно без образования и по опыту и знаниям они могли дать прикурить любому дипломированному специалисту. Собственно, у меня нет профильного образования, испытываю ли я от этого дискомфорт? В определенной степени да.
Еще в самом начале, когда микроконтроллеры были для меня хобби, я много помогал с курсовыми и дипломами разных вузов, просто чтобы оценить свой уровень. Могу сказать уверенно, что уровень в целом невысок вне зависимости от имени вуза. Учиться несколько лет, для того чтобы написать такой диплом, совершенно необязательно. Достигнуть этого можно самостоятельно за весьма короткий срок. И все же зачастую бывали моменты, когда студенты знали какой то предмет, который они проходили на 2-3 курсе, а я этого не знал. Хоть все эти знания и компенсировались самообразованием, но все же лучше было бы не тратить на это время.
Вуз ради бумажки. Могу сказать, что были и такие ситуации, когда предлагали работу, которая требовала обязательного наличия образования и было обидно, что именно в тот момент бумажки не было. Но в целом, история показывает, что большинству работодателей наплевать на вашу бумажку.
Следующий момент довольно часто не учитывается, это окружение. Не забывайте, что люди, с которыми вы учитесь это ваше поколение, не исключено что вам с ними работать. Количество фирм работающих в одной отрасли сильно ограничено. Практика показывает, что даже в больших городах все и все друг о друге знают, вплоть до интимных подробностей.
Еще один момент это возможности. Зачастую у вузов есть свои возможности — оборудование, может какие то секции, может какие то программы работы за рубежом, этим нужно пользоваться, если есть хоть малейшая возможность. Если в вузе вы не видите перспективы, идите в другой, мир на каком то одном не заканчивается.
Если подытожить то совет таков: если есть хоть малейшая возможность — нужно идти учиться, обязательно по профилю, если есть хоть какие то шансы, то лезть везде, а не отсиживать штаны на задней парте. Заводить знакомства, параллельно дома самому практиковаться, развиваться.
16. Поздно ли начинать программировать в 20, 30, 40, 50 лет? Практика других людей показывает, что возраст вообще не помеха. Многие почему то не учитывают то, что есть целый пласт работы, которую молодые в силу своих амбиций не хотят делать. Поэтому работодатели предпочитают брать тех, кто будет ее тащить. Это ваш шанс зацепиться, а дальше все зависит только от вас.
И последний совет. Многие радиолюбители необщительные, сердитые и раздражительные — считайте это спецификой работы. Излучайте добро и позитив, будьте хорошим человеком.
Программирование современных микроконтроллеров: лекция 1
Конспект первой лекции по программированию современных микроконтроллеров на примере STM32 и операционной системы RIOT. Лекции читаются в Институте информационных технологий МИРЭА по субботам, с 12:50 в актовом зале на 4 этаже корпуса Д. В занятиях отводится 1,5 часа на саму лекцию и 3 часа на практические занятия в лаборатории IoT Академии Samsung по теме лекции.
Привет, Гиктаймс! Как мы и обещали, начинаем публикацию конспектов лекций, которые сейчас читаются в Институте ИТ МИРЭА. По результатам первой, вводной лекции мы решили немного изменить структуру курса — вместо планировавшихся двух потоков по 5 занятий будет один поток на 7 занятий. Это позволит в более спокойном темпе разобрать ряд вспомогательных вопросов, а также статьи с конспектом будут появляться на GT каждую неделю в течение всего марта и апреля, а не через неделю, как планировалось раньше.
Тем не менее, в семь лекций невозможно полностью уложить столь обширную тему, поэтому местами изложение будет тезисным — хотя для компенсации этого мы постараемся указывать, в какую сторону смотреть тем, кто хочет самостоятельно глубже разобраться в том или ином вопросе.
Курс рассчитан на студентов второго и третьего курсов, знакомых с языком C и базовыми понятиями электроники и электротехники. Предварительное знакомство с микроконтроллерами не требуется.
Цель курса — освоение навыков, позволяющих свободно работать с микроконтроллерами на ядре ARM Cortex-M на современном уровне и, при наличии такого желания, двигаться в сторону дальнейшего углубления своих знаний.
Сегодняшняя лекция — первая, поэтому на ней будут разбираться общие понятия: что такое вообще микроконтроллер и зачем он нужен, что такое прошивка и как она получается, зачем нам нужна операционная система, и наконец — как работать с git. Результат практического занятия — собственный репозитарий на GitHub с исходными кодами ОС, а также успешно настроенная среда сборки на локальном компьютере.
Микроконтроллер
Если говорить коротко, то микроконтроллер — это классический пример «системы на чипе», включающей в себя как процессорное ядро, так и набор вспомогательных и периферийных устройств, позволяющий микроконтроллеру во многих случаях быть полностью самодостаточным.
В типовом микропроцессоре, подобном тому, что стоит в любом ПК или смартфоне, практически все модули, которые можно отнести к вспомогательным (питание, тактирование, даже базовые периферийные устройства), вынесены за пределы самого чипа, несмотря на то, что работать без них микропроцессор не может.
В микроконтроллере же, наоборот, на одном кристалле с ядром реализованы не только необходимые для его работы подсистемы, но и масса периферийных устройств, которые могут потребоваться в различных практических задачах. Более того, многие производители микроконтроллеров соревнуются друг с другом не по производительности ядра или объёму памяти, а по обилию и функциям периферийных устройств.
Микроконтроллеры уже достаточно давно развиваются параллельно с микропроцессорами — так, до сих пор встречающаяся в промышленных изделиях архитектура Intel 8051 была разработана в 1980 году. В каких-то моментах линии их развития начинают пересекаться с микропроцессорами — так, старшие модели микроконтроллеров имеют интерфейсы для внешнего ОЗУ, а производители микропроцессоров интегрируют на кристалл всё больше периферийных устройств (достаточно вспомнить, что на заре «персоналок» даже кэш-память набиралась внешними микросхемами) — но в любом случае они остаются двумя существенно отличающимися ветвями развития.
Собственно, целью создания микроконтроллеров была возможность удешевления и миниатюризации различных устройств, требующих некоторой небольшой вычислительной мощности: использование одного чипа, на который для его работы достаточно просто подать питание, существенно упрощает разработку и производство печатной платы по сравнению с набором из 4-5 отдельных чипов.
Разумеется, у микроконтроллера есть свои ограничения — технически невозможно упаковать в один кристалл то, что в большом ПК занимает половину немаленькой платы.
Память
В общем случае внутри микроконтроллера может быть четыре вида памяти:
Нетрудно заметить, что все четыре вида памяти, о которых мы говорили, занимают очень небольшой кусочек карты — а на большей части картинки расположился перечень всех имеющихся в контроллере периферийных устройств.
Регистры
Дело в том, что всё — вообще всё — общение со всеми периферийными устройствами микроконтроллера и всеми его настройками осуществляется с помощью всего двух операций:
Так, например, если мы хотим, чтобы на третьей ножке порта А микроконтроллера (PA2, нумерация идёт с нуля) появилась «1», нам надо записать «1» в третий бит регистра, расположенного по адресу 0x4002014. А если эта ножка настроена как вход и мы, наоборот, хотим узнать, какое на ней значение — нам надо прочитать третий бит регистра по адресу 0x40020010.
Да, чтобы указать контроллеру, входом или выходом является эта ножка — надо записать соответствующие значения в соответствующие биты по адресу 0x40020000.
Это — важный момент в понимании работы микроконтроллера: абсолютно всё, что не является вычислительными операциями, за которые отвечает само ядро процессора, осуществляется с помощью записи или чтения того или иного регистра. Какие бы библиотеки не были наворочены в вашей программе сверху — в конечном итоге всё сводится к регистрам.
Разумеется, работать с числовыми адресами довольно неудобно, поэтому для каждого микроконтроллера на ядре Cortex-M существует библиотека CMSIS (Cortex Microcontroller Software Interface Standard), самый важный компонент которой для нас — заголовочный файл, описывающий имеющиеся в конкретном контроллере регистры и дающий им относительно человекочитаемые имена.
С использованием CMSIS описанные выше операции с ножкой PA будут выглядеть так:
Все названия регистров и значения полей в них описаны в документе, который можно считать Библией программиста микроконтроллеров — Reference Manual (он, разумеется, свой для каждого семейства контроллеров, ссылка дана на RM0038, соответствующий семейству STM32L1). Отмечу, что более чем 900 страниц RM0038 — это не очень большой объём информации, легко можно встретить контроллеры с руководствами по 1500-2000 страниц. Вряд ли есть кто-то, помнящий хотя бы треть такого руководства наизусть, но умение быстро в нём ориентироваться — обязательное качество для хорошего программиста.
Разумеется, этот код — лишь условно человекопонятный. Использование буквенных названий вместо адресов радикально снижает процент ошибок в коде и увеличивает его читаемость, но всё ещё крайне далеко от того, что большинство людей назовёт «нормальным» кодом.
Понимая это, производители контроллеров начали выпускать вспомогательные библиотеки, собирающие наборы обращений к регистрам в функции — например, если при работе с регистрами напрямую для включения какого-либо такового генератора вам надо сделать два действия (поставить в 1 бит, включающий генератор, и подождать, пока в 1 встанет флаг, индицирующий, что генератор вышел на режим), то в функции включения генератора в такой библиотеке они будут объединены.
В случае с STM32 основная библиотека называется Standard Peripherals Library, она же StdPeriphLib, она же SPL. Помимо неё, существует выпускаемая ST библиотека LL, и ряд сторонних библиотек — например, LibOpenCM3. Сторонние библиотеки часто поддерживают и контроллеры других производителей, но в силу распространённости STM32 они обычно оказываются на первом месте.
Так, при использовании SPL обращения к регистрам, которые мы совершали, чтобы зажечь светодиод, превратятся в обращения к функциям GPIO_Init и GPIO_Write.
Впрочем, нельзя не заметить, что среди профессиональных разработчиков отношение к SPL — двойственное.
С одной стороны, SPL позволяет значительно быстрее набросать «скелет» проекта, особенно при использовании графических средств конфигурирования контроллера, таких как STM32 CubeMX. При этом код будет довольно хорошо (настолько, насколько у них совпадает набор периферийных устройств и возможностей, которыми вы пользуетесь) переноситься между разными контроллерами семейства STM32.
С другой стороны, как показывает практика, в сложном проекте нет вопроса «что делать, если что-то будет работать не так» — в нём есть вопрос «что делать, когда всё будет работать не так». В SPL, как и в любой библиотеке, могут быть ошибки, кроме того, логика разработчиков SPL может не совпадать с вашим представлением о том, что должно происходить с контроллером при тех или иных действиях — в результате при попадании в такую ситуацию вам всё равно придётся открывать исходники SPL и смотреть, что конкретно там происходит на уровне регистров. На практике это может иногда занять времени не меньше, чем написание нужной вам функциональности с нуля.
Кроме того, библиотеки, выпущенные конкретным производителем чипов, хоть и позволяют в каких-то пределах мигрировать между чипами этого производителя, но перескочить, например, с STM32L1 на ATSAMD21 с кодом, написанным для SPL, у вас не получится при всём желании.
Не всегда помогает SPL и читаемости кода — в программах, написанных с её использованием, нередко можно увидеть простыни размером в полстраницы, состоящие из одних только вызовов SPL.
Наконец, SPL решает лишь одну проблему — абстрагирования от «железа» и работы с регистрами. Однако по мере развития проекта вы столкнётесь ещё с несколькими, например:
Несмотря на то, что ОС требует для своего существования дефицитных ресурсов контроллера (обычно 5-20 КБ постоянной памяти и ещё столько же оперативной), преимущества использования ОС настолько велики, что на данный момент в профессиональной разработке для встраиваемых систем около 70 % проектов используют ту или иную ОС.
Строго говоря, на нижнем уровне ОС может использовать вендорские библиотеки, подобные SPL. Однако в рамках нашего курса мы будем работать с RIOT OS, нижнеуровневый код которой для семейства STM32 написан на регистрах — работу с SPL же мы затрагивать не будем вообще.
Причина этого проста: хотя в целом мы будем изучать работу ОС и контроллера на верхнем уровне, но в тех случаях, когда мы захотим углубиться в детали их функционирования, нам всё равно придётся спускаться на уровень регистров, и прослойка в виде SPL довольно сильно бы этому мешала. Освоив же общие принципы работы с контроллерами, при желании с функционированием SPL вы сможете разобраться самостоятельно, тем более, что абсолютное большинство учебников по STM32, доступных онлайн, построены на её базе.
Операционная система
В виде максимально упрощённой схемы ОС можно представить как набор компонентов, выстроенных в определённую иерархию:
Точнее, если вспоминать фразу Артура Кларка про технологии, неотличимые от магии, то это мышлении можно скорее назвать псевдомагическим, переформулировав афоризм как «любая технология, достаточно хорошо спрятанная от пользователя, становится неотличима от магии».
На самом деле, разумеется, никакой особенной функции меню в Arduino IDE, как и в любой другой IDE, не несёт — это лишь графическая оболочка для доступа к некоторым совершенно стандартным функциям и особенностям современных программных систем.
Если мы посмотрим на то, как выглядит RIOT OS в виде набора файлов на диске, то без труда опознаем разложенные по папочкам компоненты системы: HAL лежит в папке cpu (и если мы её откроем, то увидим описания для десятков различных микроконтроллеров, от AVR до PIC32), описания построенных на этих контроллерах плат — boards, драйверы внешних устройств — drivers, ядро ОС — core, системные и вспомогательные сервисы ОС — sys, пользовательские приложения — examples.
Один из важных моментов, который отличает микроконтроллеры от больших систем — то, что практически всегда (а в нашем случае совсем всегда) пользовательские приложения существуют не как отдельные файлы, загружаемые независимо от ОС, а компилируются вместе с ОС, всем набором драйверов и модулей в единый файл, загружаемый в память микроконтроллера. Причин этому несколько — начиная с отсутствия необходимости в отдельной загрузке приложений, что позволяет упростить всю систему, и заканчивая наличием необходимости собирать ОС и комплект драйверов и модулей под конкретное устройство ради экономии его отнюдь не бесконечной памяти.
Исходные коды ОС
Мы будем работать с исходными кодами в версии https://github.com/unwireddevices/RIOT/tree/mirea — это ответвление от основной разработки RIOT OS, в котором силами Unwired Devices улучшена поддержка микроконтроллеров STM32L1, а также добавлены некоторые полезные сервисы, например, таймеры на базе часов реального времени, включая миллисекундный таймер.
Исходные коды можно загрузить с Github, выбрав кнопку «Clone/Download» и «Download ZIP», но лучшим вариантом будет создание собственного репозитория. Для этого зарегистрируйтесь на GitHub, после чего вернитесь в указанный выше репозиторий и нажмите кнопку «Fork» — исходные коды будут скопированы в ваш аккаунт, откуда вы сможете уже без проблем работать с ними.
Я не буду описывать здесь детали работы с GitHub и Git — в интернете есть масса отличных пошаговых руководств, повторять которые нет смысла.
Компиляция простейшего приложения
Благодаря тому, что ОС берёт на себя всё взаимодействие с микроконтроллером, простейшее возможное приложение в общем-то ничуть не сложнее, чем традиционный «Hello world» на большом ПК:
В структуре нашей ОС это приложение располагается в папке example/hello-world в файле main.c (оно там уже есть).
Однако, очевидно, чтобы его скомпилировать, необходимо сначала настроить среду сборки. Это делается по-разному в разных ОС.
1. Windows 8 и старее. К сожалению, придётся использовать среду MinGW, медленную и неудобную. Процедура установки нужных компонентов достаточно подробно описана здесь. Отмечу, что для работы с Git/GitHub придётся также отдельно поставить Git for Windows, который притащит свою урезанную версию MinGW. При желании всё это можно свести в один терминал MinGW, но проблем с очень низкой скоростью работы MinGW и общим его неудобством это не решит.
В целом, Windows 7 и Windows 8, как можно понять, являются не самым удачным выбором для разработки.
2. Windows 10. Откройте магазин Microsoft Store, найдите в нём Ubuntu и установите. Если при первом запуске Ubuntu будет ругаться на выключенный компонент Windows, откройте системное приложение «Включение или отключение компонентов Windows», найдите там «Поддержка Windows для Linux» и включите.
Вся дальнейшая работа происходит в среде Ubuntu, значительно более комфортной и быстрой, нежели MinGW.
Скачайте компилятор и сопровождающие его утилиты отсюда (внимание: вам нужна 64-битная версия для Linux!), откройте Ubuntu, распакуйте архив и укажите системе пути к нему:
Для работы с Git вам потребуется сгенерировать пару из приватного и публичного ключей командой ssh-keygen, после чего скопировать публичный ключ (в Ubuntu под Windows это можно сделать командой cat
/.ssh/id_rsa.pub, потом выделить выведенное мышкой и нажать Enter — оно скопируется в буфер обмена) и добавить его в ваш аккаунт GitHub. После этого можно будет работать с GitHub из командной строки командой git.
NB: если вы ранее не работали в командной строке Linux, то обратите внимание на два полезных момента: курсорные стрелки вверх и вниз позволяют листать историю введённых команд, а клавиша Tab дополняет набранный вами путь к файлу или папке до конца (то есть cd /opt/gcc- превратится в строку cd /opt/gcc-arm-none-eabi-7-2017-q4-major). Последнее служит также хорошей проверкой, правильно ли вы набираете путь — если неправильно, дополнен он по очевидной причине не будет. Если возможных вариантов дополнения несколько, то двойное нажатие Tab выведет их все.
NB: в Windows вам будет удобнее работать, если сами исходные коды ОС размещаются в папке, напрямую доступной из Windows, например Documents/git/RIOT. Из-под MinGW она будет доступна по пути /c/Users/vasya/Documents/git/RIOT, из-под Ubuntu — /mnt/c/Users/vasya/Documents/git/RIOT. В этом случае вы сможете свободно пользоваться для работы с кодом, например, текстовыми редакторами, написанными для Windows, такими как Notepad++.
3. Linux. Установка среды сборки ничем не отличается от инструкции для Windows 10, кроме того, что Microsoft Store вам не потребуется. Также не ищите gcc-arm-none-eabi в репозитории вашего дистрибутива — скачайте наиболее свежую версию с его официального сайта.
После установки среды сборки откройте консоль, перейдите в папку с RIOT и в подпапку examples/hello-world, после чего запустите команду make.
Скорее всего, она быстро прервётся ошибкой и сообщением, что у вас не хватает unzip (под Windows 10 по умолчанию он не устанавливается), make или других утилит. В Windows 10 их можно установить командой (перечень недостающего даётся простым списком через пробел):
После установки попробуйте ещё раз запустить make — точнее, оптимальным вариантом является вызов команды «make clean && make»: первая очищает мусор, оставшийся от предыдущей попытки. Без ней компилятор может ошибочно решить, что какой-то из уже собранных модулей не менялся, и не пересобирать его — в результате вы получите прошивку, собранную из кусков старого и нового кода.
NB: в оригинальном RIOT приложение hello-world собирается для архитектуры native, то есть, в нашем случае ноутбука или десктопа, x86. Однако в нашем коде в параметрах сборки проекта уже указана плата unwd-range-l1-r3, использующая контроллер stm32, поэтому в начале процедуры вы должны увидеть строку
В случае успеха за ней вы увидите десяток-два строчек, начинающихся с команды make — это сборка отдельных компонентов операционной системы. Закончится всё сообщением об успешном создании файла прошивки mirea.elf с указанием размеров различных типов данных (объёмов используемой флэш-памяти и ОЗУ).
Итак, мы немного разобрались с тем, как выглядит микроконтроллер, скачали исходные коды нашей ОС, настроили среду сборки и убедились, что она работает.
На следующем занятии мы рассмотрим подробнее устройство микроконтроллера, начиная с портов GPIO, и загрузим в него первое приложение — оно, по старой традиции, будет мигать светодиодом — а далее вернёмся к операционной системе и внимательнее изучим, из каких компонентов она состоит и как настраивается её сборка.