Wie und warum man Datenblätter lesen sollte, wenn Mikrocontroller Ihr Hobby sind

Mikroelektronik ist ein angesagtes Hobby der letzten Jahre dank des zauberhaften Arduino. Doch das Problem ist: Bei entsprechendem Interesse wächst man schnell über DigitalWrite() hinaus, und was danach zu tun ist, ist nicht ganz klar. Die Entwickler von Arduino haben viel Aufwand betrieben, um die Einstiegshürde in ihr Ökosystem zu senken, aber außerhalb davon liegt nach wie vor der dunkle Wald des rauen Schaltungsdesigns, der für den Amateur schwer zugänglich ist.

Zum Beispiel Datenblätter. Man denkt, sie enthalten alles, was man braucht. Aber die Autoren verfolgen offensichtlich nicht das Ziel, Mikrocontroller populär zu machen; manchmal scheint es, dass sie absichtlich mit unverständlichen Begriffen und Abkürzungen bei der Beschreibung einfacher Dinge übertreiben, um den Unwissenden maximal zu verwirren. Aber nicht alles ist so schlecht, wenn man es möchte, öffnet sich das Geheimnis.

In diesem Artikel möchte ich meine Erfahrungen im Umgang eines Geisteswissenschaftlers mit Datenblättern zu Hobbyzwecken teilen. Der Text richtet sich an Arduino-Enthusiasten, die aus ihren Kinderschuhen herausgewachsen sind, und setzt ein gewisses Verständnis für die Funktionsweise von Mikrocontrollern voraus.

Ich beginne mit dem traditionellen

LED blinken lassen mit Arduino

Und gleich der Code:

void setup() {
DDRB |= (1<<5);
}

void loop() {
PINB = (1<<5);
for (volatile uint32_t k=0; k<100000; k++);
}

„Was ist das? – Wird der erfahrene Leser fragen. – Warum schreibst du etwas in das Eingangsregister PINB? Das ist doch nur zum Lesen!“ In der Tat, die Dokumentation von Arduino, wie die meisten Lehrartikel im Internet, behauptet, dass dieses Register schreibgeschützt ist. Ich dachte das auch, bis ich Datenblatt der Atmega328p gelesen habe, während ich diesen Artikel vorbereitete. Und dort steht:

Das ist eine relativ neue Funktionalität, die es bei der Atmega8 nicht gab, und nicht jeder weiß davon oder erwähnt sie aus Gründen der Abwärtskompatibilität. Aber sie ist durchaus geeignet, um zu zeigen, dass man Datenblätter lesen sollte, um alle Eigenschaften des Chips zu nutzen, auch die weniger bekannten. Und das ist nicht der einzige Grund.

Warum man sonst noch Datenblätter lesen sollte

Normalerweise beginnen Arduino-Entwickler, nachdem sie mit LEDs und AnalogWrite experimentiert haben, verschiedene Module und Chips anzuschließen, für die bereits Bibliotheken geschrieben existieren. Früher oder später taucht eine Bibliothek auf, die nicht so funktioniert, wie sie sollte. Dann beginnt der Amateur, sie zu durchforsten, um sie zu reparieren, und dann…

Dort passiert etwas kategorisch Unverständliches, weshalb man gezwungen ist, zu Google zu gehen, zahlreiche Tutorials zu lesen, irgendeinen passenden Code Stück für Stück zu entnehmen und schließlich doch ans Ziel zu kommen. Das gibt ein starkes Gefühl des Erfolgs, aber eigentlich erinnert der Prozess daran, ein Fahrrad durch Reverse Engineering eines Motorrads zu erfinden. Dabei versteht man nicht besser, wie dieses Fahrrad funktioniert. Ich weiß das, weil ich selbst eine ganze Zeit lang damit beschäftigt war.

Hätte ich anstelle dieses spannenden Hobbys ein paar Tage damit verbracht, die Dokumentation zur Atmega328 zu studieren, hätte ich eine Menge Zeit gespart. Schließlich ist es ein ziemlich einfacher Mikrocontroller.

Daher sollte man Datenblätter lesen, um sich wenigstens vorzustellen, wie ein Mikrocontroller aufgebaut ist und was er alles kann. Und außerdem:

• um fremde Bibliotheken zu überprüfen und zu optimieren. Diese werden oft von anderen Hobbyisten geschrieben, die das Fahrrad neu erfinden; oder umgekehrt, die Autoren fügen absichtlich überflüssige Schutzmechanismen gegen Dummheit hinzu. Lass es dreimal langsamer und umfangreicher sein, Hauptsache es funktioniert sicher.

• um in einem Projekt Chips verwenden zu können, für die niemand eine Bibliothek geschrieben hat;

• um den Umstieg von einem Mikrocontroller-Typ auf einen anderen zu erleichtern;

• um schließlich meinen alten Code zu optimieren, der einfach nicht in die Arduino-Umgebung passte;

• um zu lernen, wie man jeden Chip direkt über seine Register steuert, ohne sich mit der Funktionsweise seiner Bibliotheken, falls vorhanden, auseinanderzusetzen.

Warum direkt in die Register schreiben, wenn es HAL und LL gibt?

Glossar
HAL, High Abstraction Layer – eine Bibliothek zur Steuerung eines Mikrocontrollers auf hoher Abstraktionsstufe. Wenn man die Schnittstelle SPI1 verwenden möchte, konfiguriert und aktiviert man einfach SPI1, ohne sich Gedanken darüber zu machen, welche Register welche Funktion haben.
LL, Low Level API – eine Bibliothek, die Makros oder Strukturen mit den Adressen der Register enthält und den Zugriff auf diese durch ihren Namen ermöglicht. DDRx, PORTx, PINx auf dem Atmega – das ist LL.

Diskussionen über die Themen „HAL, LL oder Register“ kommen regelmäßig in den Kommentaren auf Habrahabr vor. Ohne Anspruch auf astrales Wissen möchte ich einfach meine Amateur-Erfahrungen und Überlegungen teilen.

Nachdem ich mich mehr oder weniger mit der Atmega und den wunderbaren Möglichkeiten von STM32 vertraut gemacht hatte, kaufte ich mir ein halbes Dutzend verschiedener Platinen – sowohl Discovery als auch „Blaue Tablets“ und sogar einfach nur Chips für meine eigenen Projekte. Sie lagen zwei Jahre lang in einer Kiste. Manchmal sagte ich mir: „Ab diesem Wochenende lerne ich STM“, startete CubeMX, generierte ein Setup für SPI, sah mir die entstandene Textwand an, die reichlich mit Copyright-Hinweisen von STM versehen war, und entschied, dass das einfach zu viel war.

Es ist natürlich möglich, herauszufinden, was CubeMX hier geschrieben hat. Aber gleichzeitig ist es klar, dass es unrealistisch ist, sich alle Formulierungen zu merken, um sie später von Hand zu schreiben. Und das Debuggen ist eine ganz andere Herausforderung, wenn ich zufällig vergesse, in Cube ein Häkchen zu setzen.

Zwei Jahre sind vergangen, ich schaute weiterhin hungrig auf ST MCU Finder nach allerlei leckeren, aber meinem Verständnis unzugänglichen Chips und stieß zufällig auf einen wunderbaren Artikel, auch wenn er über STM8 ist. Und plötzlich verstand ich, dass ich die ganze Zeit an einer offenen Tür geklopft hatte: Die Register von STM sind genauso aufgebaut wie die von jedem anderen Mikrocontroller, und für die Arbeit mit ihnen ist Cube nicht zwingend erforderlich. Ach, das hätte man also auch so machen können?

HAL und speziell STM32CubeMX sind Werkzeuge für professionelle Ingenieure, die intensiv mit STM32-Chips arbeiten. Das Hauptmerkmal ist der hohe Abstraktionsgrad, die Möglichkeit, schnell von einem Mikrocontroller auf einen anderen zu migrieren und sogar von einem Kern auf einen anderen, während man innerhalb der STM32-Familie bleibt. Liebhaber begegnen solchen Aufgaben selten – unsere Auswahl an Mikrocontrollern ist in der Regel durch das Angebot bei AliExpress begrenzt, und wir migrieren oft zwischen grundlegend unterschiedlichen Chips – wir wechseln von Atmega zu STM, von STM zu ESP oder was uns die chinesischen Freunde Neues anbieten.

Bleibt LL – aber von ihm zu den Registern ist es nur ein kleiner Schritt. Persönlich finde ich es nützlich, meine eigenen Makros mit Registeradressen zu schreiben: Ich studiere das Datenblatt genauer, denke darüber nach, was ich in Zukunft brauchen werde und was bestimmt nicht, strukturiere meine Programme besser und insgesamt hilft das Überwinden dabei, sich besser zu erinnern.

Außerdem gibt es eine Besonderheit beim beliebten STM32F103 – für ihn existieren zwei inkompatible Versionen von LL, eine offizielle von STM und die andere von Leaf Labs, die im Projekt STM32duino verwendet wird. Wenn man eine Open-Source-Bibliothek schreiben möchte (und genau das war mein Ziel), muss man entweder zwei Versionen erstellen oder direkt auf die Register zugreifen.

Schließlich vereinfacht der Verzicht auf LL meiner Meinung nach die Migration, insbesondere wenn man von Anfang an an das Projekt denkt. Ein übertriebenes Beispiel: Wir schreiben einen Arduino-Blink in Atmel Studio ohne LL:

#include <stdint.h>

#define _REG(addr) (*(volatile uint8_t*)(addr))

#define DDR_B 0x24
#define OUT_B 0x25

int main(void)
{
    volatile uint32_t k;

    _REG(DDR_B) |= (1<<5);

    while(1)
    {
        _REG(OUT_B) |= (1<<5);
        for (k=0; k<50000; k++);
        _REG(OUT_B) &= ~(1<<5);
        for (k=0; k<50000; k++);
    } 
}

Um diesen Code die LED auf einer chinesischen Platine mit STM8 (aus ST Visual Desktop) blinken zu lassen, reicht es aus, zwei Adressen zu ändern:

#define DDR_B 0x5007
#define OUT_B 0x5005

Ja, ich nutze die Besonderheit der LED-Verbindung auf dieser spezifischen Platine, es wird sehr langsam blinken, aber es wird blinken!

Was gibt es für Datenblätter

In Artikeln und in Foren, sowohl in russischen als auch in englischen, versteht man unter „Datenblättern“ jede technische Dokumentation zu Chips, das mache ich in diesem Text auch so. Formal sind sie nur eine Art solcher Dokumentation:

Datenblatt – technische Daten, taktisch-technische Eigenschaften. Muss bei jedem elektronischen Bauteil vorhanden sein. Nützliche Informationsquelle, die man griffbereit haben sollte, aber es gibt nicht viel, was man darin aufmerksam lesen könnte. Allerdings beschränken sich einfachere Chips oft auf das Datenblatt, um nicht unnötige Dokumente zu schaffen; in diesem Fall Handbuch wird hiermit ebenfalls einbezogen.

Handbuch – die eigentliche Anleitung, ein umfangreiches Buch von über 1000 Seiten. Beschreibt detailliert die Funktion aller Komponenten, die im Chip integriert sind. Das Hauptdokument zum Verständnis des Mikrocontrollers. Im Gegensatz zu Datenblatt, werden Anleitungen für eine breite Palette von MK geschrieben, sie enthalten viele Informationen über die Peripherie, die in Ihrem spezifischen Modell fehlt.

Programmiertutorial oder Befehlshandbuch – Anleitung zu den speziellen Befehlen des Mikrocontrollers. Bestimmt für diejenigen, die in Assembler programmieren. Compiler-Autoren verwenden es aktiv zur Codeoptimierung, daher wird es im Allgemeinen nicht benötigt. Aber es ist nützlich, hier für ein allgemeines Verständnis nachzuschlagen, besonders bei bestimmten speziellen Befehlen wie dem Verlassen von Interrupts sowie bei aktivem Gebrauch des Debuggers.

Anwendungshinweis – nützliche Tipps zur Lösung spezifischer Probleme, oft mit Codebeispielen.

Errata – Beschreibung von Fällen, in denen der Chip ein nicht standardmäßiges Verhalten zeigt, mit Umgehungsmöglichkeiten, falls vorhanden.

Was ist in den Datenblättern enthalten

Direkt im Datenblatt benötigen wir möglicherweise folgende Abschnitte:

Geräteübersicht – die erste Seite des Datenblatts gibt einen kurzen Überblick über das Gerät. Sehr nützlich in Situationen, wenn Sie irgendwo einen Chip gefunden haben (im Geschäft gesehen, herausgelötet, irgendwo erwähnt) und verstehen möchten, um was es sich handelt.

Allgemeine Beschreibung – eine detailliertere Beschreibung der Funktionen der Chips aus der Reihe.

Pinouts – Anschlussdiagramme für alle möglichen Gehäuse des Chips (an welchem Pin welcher Anschluss).

Pin-Beschreibung – Beschreibung der Funktion und der Möglichkeiten jedes Pins.

Speicherkarte – die Adresskarte im Speicher benötigen wir wahrscheinlich nicht, aber manchmal enthält sie auch eine Tabelle der Adressblöcke der Register.

Registerkarte – eine Tabelle der Adressen der Registerblöcke, die normalerweise im Datenblatt zu finden ist, sowie in Ref-Handbuch – nur die Verschiebungen (Adressverschiebungen).

Elektrische Eigenschaften – in diesem Abschnitt interessieren uns in erster Linie absoluten Höchstwerte, die die maximalen Belastungen für den Chip auflisten. Im Gegensatz zum unverwüstlichen Atmega328p erlauben die meisten Mikrocontroller nicht, ernsthafte Lasten an die Pins anzuschließen, was für Arduino-Anwender eine unangenehme Überraschung sein kann.

Paketinformationen – Zeichnungen der verfügbaren Gehäuse, die bei der Planung eigener Platinen hilfreich sind.

Handbuch besteht strukturell aus Abschnitten, die einem bestimmten Peripheriegerät gewidmet sind, wie in ihren Überschriften angegeben. Jedes Kapitel kann grob in drei Teile unterteilt werden:

Übersicht, Einführung, Eigenschaften – Übersicht über die Funktionen der Peripherie;

Funktionsbeschreibung, Benutzerhandbuch oder einfach der Hauptblock des Abschnitts – eine ausführliche textliche Beschreibung der Funktionsweise der Peripherie und der Wege ihrer Nutzung;

Register – Beschreibung der Steuerregister. In einfachen Fällen wie GPIO oder SPI reicht das oft aus, um mit der Peripherie zu beginnen, aber oft muss man trotzdem die vorherigen Teile lesen.

Wie man Datenblätter liest

Datenblätter wirken auf den ersten Blick durch ihr Volumen und die Vielzahl unbekannter Begriffe abschreckend. In Wirklichkeit ist es nicht so schlimm, wenn man ein paar Tipps kennt.

Installieren Sie einen guten PDF-Reader. Datenblätter werden in der schönen Tradition von Papieranleitungen verfasst, es macht Spaß, sie auszudrucken, mit Plastikkarten zu markieren und zu binden. Hypertext gibt es nur in spärlichen Mengen. Glücklicherweise ist zumindest die Struktur des Dokuments in Gliederungen organisiert, sodass ein geeigneter Reader mit komfortabler Navigation sehr nützlich ist.

Ein Datenblatt ist kein Lehrbuch von Stroustrup, man muss nicht alles am Stück lesen. Wenn Sie den vorherigen Rat befolgt haben – suchen Sie einfach den benötigten Abschnitt in dem Gliederungsbereich.

Datenblätter, insbesondere Referenzhandbücher, können die Möglichkeiten nicht eines bestimmten Chips, sondern der gesamten Reihe beschreiben.. Das bedeutet, dass die Hälfte oder sogar zwei Drittel der Informationen nichts mit Ihrem Chip zu tun haben. Bevor Sie sich mit den Registern von TIM7 befassen, überprüfen Sie, Allgemeine Beschreibung, ob Sie ihn haben.

Englisch zu wissen ist ausreichend auf grundlegendem Niveau . Die Datenblätter bestehen zur Hälfte aus Begriffen, die einem durchschnittlichen Muttersprachler unbekannt sind, und zur anderen Hälfte aus einfachen Satzstrukturen. Es gibt auch hervorragende chinesische Datenblätter in „chinesischem Englisch“, wo ebenfalls die Hälfte aus Begriffen und die andere Hälfte aus zufälligen Wörtern besteht.Wenn Sie ein

unbekanntes Wort begegnen, versuchen Sie nicht, es mit einem Englisch-Russisch-Wörterbuch zu übersetzen. Wenn Sie über das Worthysteresis stolpern, wird Ihnen die Übersetzung „Hysterese“ kein besseres Gefühl geben. Nutzen Sie Google, Stack Overflow, Wikipedia, Foren, in denen der relevante Begriffeinfach erklärt wird, mit Beispielen. Der beste Weg, um das Gelesene zu verstehen, ist es,.

es in der Praxis zu überprüfen. Halten Sie also das Debugging-Board bereit, mit dem Sie sich vertraut machen, noch besser zwei – für den Fall, dass Sie doch etwas nicht verstanden haben und den magischen Rauch sehen.Es ist hilfreich, ein Datenblatt zur Hand zu haben, wenn Sie

jemanden Tutorial lesen oder eine andere Bibliothek studieren. Es ist durchaus möglich, dass Sie darin eine bessere Lösung für Ihr Problem finden. Umgekehrt gilt: Wenn Sie aus dem Datenblatt nicht verstehen können, wie das Register funktioniert, googeln Sie es: höchstwahrscheinlich hat es jemand bereits einfach erklärt oder einen verständlichen Code auf GitHub hinterlassen. Einige nützliche Begriffe und Bezeichnungen, die Ihnen helfen, sich schneller mit Datenblättern vertraut zu machen. Alles, was mir in den letzten Tagen eingefallen ist, Ergänzungen und Korrekturen sind willkommen.

Glossar

Elektrizität

Vcc
Vdd, – „plus“, Stromversorgung Vss
Vee, – „minus“, Erde current
– Strom voltage
– Spannung to sink current
– als „Erde“ für die externe Last arbeiten to source current
– externe Last versorgen high sink/source pin
– Pin mit erhöhter „Toleranz“ gegenüber der Last IO

H, High
– am Pin Vcc L, Low
– am Pin Vss High Impedance
Hi-Z, floating, – am Pin ist nichts, „hoher Widerstand“, er ist für die Außenwelt praktisch unsichtbar. weak pull up
weak pull down, – integrierter Pull-Up/Pull-Down-Widerstand, ca. 50 kOhm (siehe Datenblatt). Wird verwendet, um zum Beispiel zu verhindern, dass der Eingangspin im Leeren schwebt und Fehlalarme auslöst. Weak – weil er leicht "übersteuert" werden kann. push pull
– Ausgabemodus des Pins, in dem er zwischen – Ausgangsmodus des Pins, in dem er zwischen Hoch und Niedrig – gewöhnlicher OUTPUT mit Arduino.
open drain – Bezeichnung für den Ausgangszustand, in dem der Pin entweder Niedrig, oder Hochohmig / Floating. Dabei handelt es sich fast immer nicht um einen „echten“ Open Drain, es gibt Schutzdioden, Widerstände und so weiter. Es ist einfach eine Bezeichnung für den Zustand Erdung / nichts.
echter Open Drain – und das ist nun ein echter Open Drain: Der Pin führt direkt zur Erde, wenn er offen ist, oder befindet sich im schwebenden Zustand, wenn er geschlossen ist. Das bedeutet, dass durch ihn, falls nötig, eine Spannung größer als Vcc fließen kann, aber das Maximum wird trotzdem im Datenblatt im Abschnitt Absolute Maximum Ratings / Voltage.

Schnittstellen
in Serie – in Serie verbunden
zu einer Kette – Chips in einer Kette verbinden, indem man sie seriell anschließt und die Anzahl der Ausgänge erhöht.
Shift – Verschiebung, bedeutet normalerweise die Bits zu verschieben. Deshalb, to shift in und to shift out – Daten bitweise empfangen und senden.
latch – Riegel, der den Puffer zudeckt, während die Bits verschoben werden. Wenn die Übertragung abgeschlossen ist, öffnet sich der Riegel und die Bits beginnen zu arbeiten.
to clock in – eine bitweise Übertragung durchführen, alle Bits an die gewünschten Stellen verschieben.
double buffer, Shadow-Register, Preload-Register – Bezeichnungen für die Historie, wenn ein Register in der Lage sein muss, neue Daten zu empfangen, sie aber bis zu einem bestimmten Zeitpunkt zu halten. Zum Beispiel sollten für einen korrekten PWM-Betrieb seine Parameter (Duty Cycle, Frequenz) nicht geändert werden, bis der aktuelle Zyklus abgeschlossen ist, aber neue Parameter können bereits übergeben werden. Daher werden die aktuellen in Shadow-Register, und die neuen gelangen in Preload-Register, indem sie in das entsprechende Register des Chips geschrieben werden.

Alles mögliche
Prescaler – Frequenzteiler
einen Bit setzen – ein Bit auf 1 setzen
einen Bit zurücksetzen – ein Bit auf 0 zurücksetzen (reset – Merkmal der STM-Datenblätter)

Was kommt als nächstes

Eigentlich war hier ein praktischer Teil mit der Demonstration von drei Projekten auf STM32 und STM8 geplant, die speziell für diesen Artikel mit Hilfe von Datenblättern, Lampen, SPI, Timern, PWM und Interrupts erstellt wurden:

Aber der Text wird ein wenig zu umfangreich, daher werden die Projekte in den zweiten Teil verschoben.

Die Fähigkeit, Datenblätter zu lesen, wird Ihnen bei Ihrem Hobby helfen, dürfte aber das persönliche Gespräch mit Gleichgesinnten in Foren und Chats kaum ersetzen. Dafür muss man in erster Linie die Englischkenntnisse verbessern. Und deshalb gibt es für die, die bis hierher gelesen haben – einen besonderen Preis: zwei kostenlose Lektionen bei Skyeng bei der ersten Zahlung mit dem Code HABR2.

Quelle: habr.com