Kuidas ja miks lugeda andmelehti, kui mikrokontrollerid on teie hobi

Mikroelektroonika on viimaste aastate moes hobi tänu imeliselle Arduino'le. Kuid on probleem: piisava huvi korral kasvada DigitalWrite() eemaldumise osas on kiire, aga mis edasi teha – pole täiesti selge. Arduino arendajad on palju pingutanud, et vähendada sisenemispiiri oma ökosüsteemi, kuid selle piiridest jätkuvalt loksub karm elektroonika, mis on kergesti kättevõitlejale kättesaamatu.

Näiteks andmelehed. Nagu oleks neis kõik olemas, võta ja kasuta. Kuid nende autorid ei sea endale selgelt eesmärki populariseerida mikrokontrollereid; mõnikord tundub, et nad kuritarvitavad arusaamatute terminite ja akronüümide kasutamist, et segadusse ajada uudishimu. Kuid mitte kõik ei ole nii halb, kui soovida, avaneb larkit.

Selles artiklis jagan kogemust humanitaariga andmelehtedega hobitegevuse eesmärgil. Tekst on mõeldud neile, kes on ületanud Arduino algtaseme, eeldades vähemalt mingit arusaama mikrokontrollerite tööpõhimõtetest.

Alustan traditsioonilisest

LED-i vilgutamisest Arduinoga

Ja kohe kood:

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

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

„Mis see on? – Küsib kogenud lugeja. – Miks kirjutad midagi PINB siseregistrisse? See on ju ainult lugemiseks!“ Tõepoolest, Arduino dokumentatsioon, nagu enamik veebis olevaid õppeartikleid, väidab, et see register on ainult lugemiseks. Ma ise arvasin samuti nii, kuni lugesin uuesti andmelehte Atmega328p jaoks, valmistades seda artiklit. Ja seal:

See on suhteliselt uus funktsioon, seda polnud Atmega8-l, paljud ei tea temast või ei maini seda tagurpidi ühilduvuse kaalutlustel. Kuid üsna tõhus mõte on demonstreerida, et andmelehti tasub lugeda, et kasutada kiibi kõiki võimalusi, sealhulgas vähe teada olevaid. Ja see ei ole ainus põhjus.

Miks veel lugeda andmelehti

Tavaliselt, kui Arduinod kasutajad on mänginud LED-ide ja AnalogWrite'idega, hakkavad nad plaatidele ühendama erinevaid mooduleid ja kiipe, mille jaoks on juba olemas kirjutatud raamatukogud. Varsti või hiljem ilmub raamatukogu, mis ei tööta nii, nagu peaks. Siis hakkab entusiast seda torkima, et parandada, ja seal…

Seal toimub midagi täiesti arusaamatut, seega peab Google'is ringi otsima, lugema lugematuid õpetusi, kohandama kellelegi sobivat koodi ja lõpuks saavutama oma. See annab võimsa saavutuse tunde, kuid tegelikult meenutab protsess mootorratta tagasipööramist uue jalgratta leiutamist. Samas ei suurene arusaamine, kuidas see jalgratas töötab. Tean, et olen sellega üsna pikalt tegelenud.

Kui ma oleksin selle põneva tegevuse asemel paar päeva veetnud Atmega328 dokumentatsiooni õppides, oleksin tohutult aega kokku hoitud. Lõppude lõpuks on see üsna lihtne mikrokontroller.

Seega tuleb andmelehti lugeda vähemalt selleks, et aru saada, kuidas mikrokontroller üldiselt töötab ja mida ta oskab teha. Ja veel:

• et kontrollida ja optimeerida teiste teeke. Need on sageli kirjutatud sarnaste entusiastide poolt, kes leiutavad jalgratast; või vastupidi, autorid teevad nendesse tahtlikult liialdatud kaitse rumalate vastu. Las see ole kolm korda rohkem ja aeglasem, aga vähemalt töötab kindlalt;

• et kasutada projektis kiipe, mille kohta keegi pole teeki kirjutanud;

• et lihtsustada enda ülesande üleviimist ühe mikrokontrolleri seeriast teise;

• et lõpuks optimeerida oma vana koodi, mis ei mahtunud kuidagi Arduinosse;

• et õppida juhtima mistahes kiipi otse selle registrite kaudu, ilma et peaksin vaeva nägema oma teekide struktuuri uurimisega, kui neid üldse on.

Miks kirjutada registritesse otse, kui on olemas HAL ja LL?

Sõnastik
HAL, kõrge abstraktsioonitaseme kiht – mikrokontrolleri juhtimise teek kõrgel abstraktsioonitasemel. Kui on vaja kasutada SPI1 liidest, seadista ja lülita lihtsalt SPI1 sisse, muretsemata selle üle, millised registrid mille eest vastutavad.
LL, madala taseme API – teek, mis sisaldab makrosid või struktuure registrite aadressidega, võimaldades neile nime kaudu juurde pääseda. DDRx, PORTx, PINx Atmega puhul – see on LL.

Arutelud teemal 'HAL, LL või registrid' toimuvad regulaarselt kommentaarides Habr's. Ilma astralse teadlikkuse pretendeerimata jagan lihtsalt oma hobikogemusi ja mõtteid.

Pärast suhteliselt tuttavaks saamist Atmega ja STM32 imeliste omaduste kohta lugemist ostsin ma pool tosinat erinevat plaati – nii Discovery, kui ka "Sinised Tabletid" ja isegi lihtsalt kiipe oma projektide jaoks. Need on viimased kaks aastat karbis tolmu kogunud. Vahepeal ütlesin endale: „kõik, alates sellest nädalavahetusest hakkan STM-i õppima”, käivitasin CubeMX, genereerisin SPI seadistuse, vaatasin selle tulemusena tekkinud tekstimassi, mis oli rikkalikult kaunistatud STM-i kopiraitiga, ja otsustasin, et see on kuidagi liiga palju.

Muidugi on võimalik aru saada, mida CubeMX siin kirjutas. Aga samas on selge, et kõikide väljendite meeldejätmine, et neid hiljem käsitsi kirjutada, on ebareaalne. Ja kui ma juhuslikult unustan Kübide seadetes mingi linnukese panna, siis on see ära keeramine täiesti teine asi.

Kaks aastat on möödas ja ma ikka imetlen ST MCU Finder igasuguseid maitsvaid, kuid minu arusaamiseks kätte saamata kiipe ja juhuslikult sattusin ma suurepärase artikli, kuigi see käsitleb STM8-d. Ja mainimine teemas mõistsin, et kogu selle aja olin justkui avatud ukse taga: STM-i registrid on sama moodi nagu igal muul mikroprotsessoril ja nende kasutamiseks pole Cube kohustuslik. Aga kuidas, nii sai ju teha...?

HAL ja konkreetselt STM32CubeMX on tööriist professionaalsetele inseneridele, kes teevad tihedalt tööd STM32 kiipidega. Peamine eelis on kõrge abstraktsioonitase, võimalus kiiresti migreeruda ühe mikroprotsessorilt teisele ning isegi ühe tuumalt teisele, jäädes siiski STM32 pere raamesse. Huvilised seisavad selliste probleemidega harva silmitsi – meie mikroprotsessorite valik on tavaliselt piiratud AliExpressi valikuga ja me rändame tihemini radikaalselt erinevate kiipide vahel – liikudes Atmega pealt STM-ile, STM-ilt ESP-le või sellele, mis uue projektiga hiina sõbrad meile toovad. HAL siin ei aita, ja selle õppimine võtab omajagu aega.

Järele jääb LL – kuid sealt registriteni on pool sammu. Isiklikult leian, et oma makrode kirjutamine registri aadressidega on kasulik: uurin hoolikamalt andmelehte, mõtlen, mida mul tulevikus vaja võib minna, ja mis kindlasti ei, struktureerin oma programme paremini ning üldiselt aitab see meeldejätmisele.

Lisaks on populaarse STM32F103-ga probleem, et selle jaoks on olemas kaks üksteisega kokkusobimatut LL versiooni, üks ametlik STM-i poolt, teine – Leaf Labs’ilt, mida kasutatakse STM32duino projektis. Kui kirjutada avatud lähtekoodiga teek (ja mul oli just selline ülesanne), tuleb kas teha kaks versiooni või pöörduda otse registrite poole.

Lõpuks muudab LL loobumine minu arvates migratsiooni lihtsamaks, eriti kui arvestada sellega projekti algusest peale. Äärmuslik näide: kirjutame Arduinole mõeldud vilkumise Atmel Studios ilma LL-ta:

#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++);
    } 
}

Kuna see kood peab vilkuma STM8 (ST Visual Desktop) Hiina plaadil, piisab kahe aadressi muutmisest:

#define DDR_B 0x5007
#define OUT_B 0x5005

Jah, kasutan konkreetse plaadi LED-ühenduse omadust, vilkuma hakkab see väga aeglaselt, aga siiski vilgub!

Millised on andmelehed

Artiklid ja foorumid, nii venekeelsed kui ka ingliskeelsed, mõistavad 'andmelehtedena' igasugust tehnilist dokumentatsiooni kiipide kohta, nii et teen seda ka sellel tekstil. Formaalselt on need vaid üks sellise dokumentatsiooni tüüp:

Datasheet – tehnilised omadused (TTO), mis on iga elektroonilise komponendi jaoks kohustuslikud. Abiks olev info, mida tasub käepärast hoida, kuid süvenemiseks ei leia seal tavaliselt midagi huvitavat. Siiski, lihtsamad kiibid piirduvad sageli ainult andmelehega, et mitte luua liigseid dokumente; sel juhul Reference Manual taotletakse samuti siia.

Reference Manual – tegelikult kasutusjuhend, mahukas raamatuleht, kus on üle 1000 lehe. Detailselt kirjeldatakse kõike, mis kiibi sisse mahub. Peamine dokument mikrokontrolleri omandamiseks. Erinevalt datasheet, kirjutatakse juhiseid laia tootevaliku kohta, kus on palju teavet perifeeria kohta, mida teie konkreetses mudelis ei ole.

Programming Manual või Instruction Set Manual – juhend mikrokontrolleri unikaalsete käskude kohta. Mõeldud neile, kes programmeerivad Assembly keeles. Kompilaatorite autorid kasutavad seda aktiivselt koodi optimeerimiseks, seega ei ole meile üldjuhul vajalik. Siiski on kasulik siia vaadata üldise arusaamiseks, mõne spetsiifilise käsu tüüpide jaoks, nagu katkendest väljumine, samuti aktiivselt silumist kasutades.

Application Note – kasulikud nõuanded konkreetsete probleemide lahendamiseks, sageli koodinäidetega.

Errata Sheet – kirjeldus kiibi ebatüüpilisest käitumisest koos variantidega, kuidas seda vältida, kui need on olemas.

Mida leida andmelehtedest

Otse Datasheet võime vajada selliseid jaotisi:

Device Summary – andmelehe esimene leht räägib lühidalt seadme kohta. Väga kasulik, kui oleme kuskil chiibi leidnud (näinud poes, välja lõiganud, kohtunud mainimisega) ja soovime aru saada, mis see on.

General Description – üksikasjalik kirjeldus kiipide funktsioonidest.

Pinouts – jalamärgid kõikide kiibi võimalike korpuste jaoks (millisel pinnal milline pin).

Pin Description – iga pinni eesmärgi ja funktsioonide kirjeldus.

Memory Map – mäluaadresside kaart, mis meil tõenäoliselt ei ole vajalik, kuid mõnikord sisaldab see ka registriblokside aadresside tabelit.

Register Map – registriblokside aadresside tabel on tavaliselt just andmelehtedes, kuid Ref Manual – ainult nihked (address offsets).

Electrical Characteristics – selles osas huvitavad meid eelkõige absolute maximum ratings, mis loetlevad maksimaalsed koormused kiibile. Erinevalt purunematust Atmega328p-st, ei luba enamik mikrokontrollereid pinatele tõsiseid koormusi, mis on arduino-kasutajatele ebameeldiv üllatus.

Package Information – saadaval olevate korpuste joonised, mis on kasulikud oma kaartide projekteerimisel.

Reference Manual koosneb struktuurselt osadest, mis on pühendatud konkreetsetele periferiakomplektidele, nagu on nende päises märgitud. Iga peatükk on tinglikult jagatav kolmeks osaks:

Overview, Sissejuhatus, Features – periferiakomplekti funktsioonide ülevaade;

Functional Description, Usage Guide või lihtsalt sektsiooni peamine plokk – põhjalik tekstiline kirjeldus periferiakomplekti tööpõhimõtetest ja kasutamisviisidest;

Registers – juhtimisregistrite kirjeldus. Lihtsate juhtumite, nagu GPIO või SPI puhul, võib sellest piisata, et periferiat alustada, kuid sageli tuleb siiski lugeda ka varasemaid osi.

Kuidas lugeda andmelehti

Andmelehed võivad esialgu hirmutada oma mahukuse ja arusaamatute sõnade rohkusest. Tegelikult pole kõik nii hirmus, kui teada mõned näpunäited.

Installige hea PDF-lugeja. Andmelehed on kirjutatud pitseerimisnõuete traditsioone jälgides, neid on tore välja printida, plastikutega joonistada ja kokku õmmelda. Hüpteksti leidub neis jälje kogustes. Õnneks on dokumendi struktuur vähemalt jagatud jaotistega, seega on hea lugeja, millel on mugav navigeerimine, väga vajalik.

Andmeleht – mitte Stroustrupi õpik, seal ei pea kõike järjest lugema. Kui kasutasite eelnevat nõuannet – leidke lihtsalt vajalik jaotis järjehoidjate paneelilt.

Andmelehed, eriti Reference Manuals, võivad kirjeldada mitte konkreetse kiibi võimalusi, vaid kogu seeriat. See, et tähendab, et pool või isegi kaks kolmandikku teabest ei puutu teie kiibitöötlusse. Enne TIM7 registrite uurimist kontrollige, General Description, kas see on teie jaoks olemas.

Teadma ingliskeelt piisavalt baastasemel. Andmelehed koosnevad poolest keerukatest terminidest, mis pole tavalisele keelekõnelejale tuttavad, ja poolest lihtsatest sidusstruktuuridest. Ka on suurepäraseid Hiina andmelehti hiina inglise keeles, kus pool on samuti terminid ja teine pool on juhuslik sõnastik.

Kui kohtate tundmatut sõna, ärge proovige seda tõlkida inglise-vene sõnaraamatuga. Kui teil on segadus histeresis, siis tõlge "histeresis" teid ei aita. Kasutage Google'i, Stack Overflow't, Vikipeediat, foorumeid, kus vajaliku mõiste selgitatakse lihtsate sõnadega koos näidistega.

Parim viis loetut mõista on kontrollida praktikas. Seetõttu hoidke käepärast arendusplaati, millega olete tuttav, või veel parem, kahte – juhuks, kui te ei mõista midagi ja näete seda maagilist suitsu.

On kasulik hoida andmeleht käepärast, kui te loete kellegi õpetust või uurite kellegi teise teeki. On täiesti võimalik, et leiate sealt oma ülesandeks optimaalsema lahenduse. Ja vastupidi – kui andmelehe põhjal ei suuda te kuidagi aru saada, kuidas register töötab, otsige see Google'ist: tõenäoliselt on keegi juba kõik selgeks teinud lihtsate sõnadega või jätnud GitHub'i selgelt arusaadava koodi.

Sõnastik

Mõned kasulikud sõnad ja tähised, mis aitavad teil andmelehtedega kiiremini harjuda. Kõik, mis tuli meelde viimase paari päeva jooksul, täiustused ja parandused on teretulnud.

Elektritsiteet
Vcc, Vdd – "pluss", toide
Vss, Vee – "miinus", maa
current – vool
voltage – pinged
to sink current – töötama "maa" all välist koormust
to source current – toitma välist koormust
high sink/source pin – pin, millel on suurenenud "tolerantsus" koormuse suhtes

IO
H, High – pinil Vcc
L, Low – pinil Vss
High Impedance, Hi-Z, floating – pinil ei ole midagi, "kõrge takistus", see on tegelikult välismaailmale nähtamatu.
weak pull up, weak pull down – sisse ehitatud tõmbav/push-pull takistus, umbes 50 kΩ (vt andmelehte). Kasutatakse näiteks, et sisendpin ei rippuks õhus, põhjustades valehäireid. Weak – sest seda on lihtne "üles murda".
push pull – väljundrežiim pinil, kus see vaheldub High ja Madal – tavaline VÄLJUND Arduino'ga.
avatud äravool – tähistab väljundi režiimi, kus pin võib olla kas Madal, või Kõrge takistus / Ujuv. Siiski pole see peaaegu kunagi "päris" avatud äravool, seal on kaitse dioodid, takistid ja muud asjad. See on lihtsalt režiimi tähistus maa / mitte midagi.
päris avatud äravool – aga see on juba päris avatud äravool: pin juhib otseselt maapinda, kui see on avatud, või on ujuvas olekus, kui see on suletud. See tähendab, et selle kaudu saab vajadusel saata pinget üle Vcc, kuid maksimaalne väärtus on siiski määratud andmelehel osas Absoluutsed maksimaalsed hinnangud / Pinge.

Liidesed
järjestikku – ühendatud järjestikku
ahelasse – ühendades kiibid ahelasse järjestikku, suurendades väljundite arvu.
sift – nihked, tavaliselt tähistab bitnihke. Vastavalt, sift sisse ja sift välja – andmete vastuvõtmine ja edastamine bititi.
lukk – lükand, mis katab puhverserveri, kuni bitid on edastatud. Kui edastus on lõppenud, avatakse lükand, bitid hakkavad töötama.
kella sisse – teha bititi edastus, nihutada kõik bitid vajalikesse kohtadesse.
topeltpuhver, vari register, eelregistreerimisregister – tähistab olukorda, kus register peab olema suuteline võtma uusi andmeid, kuid hoidma neid kuni teatud hetkeni. Näiteks, et PWM-i korras töötamiseks ei tohiks tema parameetrid (tähtaeg, sagedus) muutuda, kuni praegune tsükkel on lõppenud, kuid uued parameetrid saavad juba edastatud. Seega hoitakse praeguseid vari register, ja uued toimetatakse eelregistreerimisregister, olles kirjutatud vastavasse kiibi registrisse.

Iga asi
eeltakistus – sageduse jaotaja
seada bit – seada bit 1-ks
tühjendada / lähtestada bit – lähtestada bit 0-ks (ülestartimine – STM andmelehtede funktsioon)

Mis edasi

Tegelikult oli siin plaanitud praktiline osa, demonstreerides kolme projekti STM32 ja STM8, mis on spetsiaalselt selle artikli jaoks loodud andmelehtede abil, koos lampide, SPI, ajutite, PWM-i ja katkestustega:

Kuid teksti läheb liiga palju, seetõttu saadetakse projektid teise ossa.

Andmelehtede lugemise oskus aitab teil hobiga hakkama saada, kuid ei asenda sugugi elavat suhtlemist kolleegidega foorumites ja vestlustes. Selleks tuleb siiski kõigepealt inglast keelt paremini osata. Seega neile, kes selle läbi lugesid – eriline auhind: kaks tasuta tundi Skyengis esimese makse puhul koodi HABR2.

Allikas: habr.com