Kuidas ja miks lugeda datasheet'e, kui mikrokontrollerid on teie hobi

Mikroelektroonika on olnud viimaste aastate moeröögatus, tänu võluvale Arduino'le. Kuid probleem on see, et kui huvi on piisav, siis kasvab DigitalWrite() kasutamine kiiresti, aga mis edasi teha, ei ole päris selge. Arduino arendajad on teinud palju, et vähendada takistusi nende ökosüsteemi sisenemisel, kuid selle piirest väljaspool lehvivad veel metsikud skeemide maailmad, mis on entusiastidele raskesti ligipääsetavad.

Näiteks andmelehed. Tundub, et neis on kõik olemas - võta ja kasuta. Kuid nende autorid ei paku sageli plaanitult mikrokontrollerite populariseerimist; mõnikord tundub, et nad kuritarvitavad arusaamatuid termineid ja akronüüme lihtsate asjade kirjeldamisel, et segadusse ajada algajaid. Kuid kõik ei ole nii hull, kui soovida, avanevad uksed.

Selles artiklis jagan ma oma kogemusi humanitaarina andmelehtedega hobieesmärkidel. Tekst on mõeldud neile, kes on üles kasvanud Arduino maailmast, eeldades, et on olemas mingi arusaam mikrokontrollerite tööpõhimõtetest.

Alustan traditsioonilise

LED-i vilgutamisega Arduinos

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 sa kirjutad midagi sisendregister PINB? See on ju ainult lugemiseks!" Tõepoolest, Arduino dokumentatsioon, nagu ka enamik veebis olevaid õppeartikleid, väidab, et see register on lugemiseks. Ma ise arvasin ka nii, kuni lugesin uuesti andmeleht Atmega328p dokumentatsiooni, valmistades seda artiklit. Ja seal:

See on suhteliselt uus funktsioon, mida ei olnud Atmega8-l, ja millest ei pruugita kõik teavad või ei mainita seda tagasipöörduvuse tõttu. Aga see on täiesti sobiv, et demonstreerida mõtet, et andmelehti tasub lugeda, et kasutada ära kõiki kiibi võimalusi, sealhulgas vähemtuntud. Ja see ei ole ainus põhjus.

Miks veel lugeda andmelehti

Tavaliselt hakkavad Arduino entusiastid, pärast LED-idega ja AnalogWrite'idega mängimist, ühendama plaadiga erinevaid mooduleid ja kiipe, mille jaoks on juba kirjutatud teegid. Varem või hiljem ilmub teek, mis ei tööta nii, nagu oleks vaja. Siis hakkab hobikohtunik seda tuhnima, et seda parandada, ja seal…

Seal toimub midagi ülimalt arusaamatut, mistõttu tuleb minna Google'i, lugeda arvukalt õpetusi, haarata tükkide kaupa kellegi sobivat koodi ja lõpuks oma tahtmist saavutada. See toob kaasa tugeva saavutuse tunde, kuid tegelikult meenutab see jalgratta leiutamist mootorratta tagasikerimise teel. Ja arusaamine, kuidas see jalgratas töötab, ei suurene. Tean, kuna olen sellega üsna kaua tegelenud.

Kui oleksin selle põneva tegevuse asemel veetnud paar päeva Atmega328 dokumentatsiooni õppimisele, oleksin säästnud tohutult aega. Lõppude lõpuks, see on üsna lihtne mikrokontroller.

Seega on andmelehtede lugemine vajalik vähemalt selleks, et saada aimu, kuidas mikrokontroller üldse töötab ja mida ta suudab teha. Ja veel:

• et kontrollida ja optimeerida teiste teeke. Need kirjutavad sageli samasugused entusiastid, kes leiutavad jalgratast; või siis, vastupidi, autorid teevad tahtlikult neist liialdatud kaitse, et rohi oleks kolm korda rohkem ja aeglasem, kuid see kindlasti töötab;

• et olla võimeline kasutama projektis kiipe, mille jaoks keegi ei ole teeki kirjutanud;

• et endale lihtsustada ülesannet üleminemisel ühe mikrokontrolleri seeriast teise;

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

• et õppida, kuidas otseselt suhelda igasuguste kiipidega nende registrite kaudu, ilma et peaksin uurima nende teekide struktuuri, kui need eksisteerivad.

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

Sõnastik
HAL, High Abstraction Layer – mikrokontrolleri juhtimise teek kõrge abstraktsioonitasemega. Kui on vaja kasutada SPI1 liidest, seadistame lihtsalt ja aktiveerime SPI1, mõtlemata, millised registrid mille eest vastutavad.
LL, Low Level API – teek, mis sisaldab makrosid või struktuure registrite aadressidega, võimaldades neile viidata nime kaudu. DDRx, PORTx, PINx Atmega-l on LL.

Arutelud teemal «HAL, LL või registrid» toimuvad pidevalt kommentaarides Habras. Ilma astraliteadusele juurdepääsu nõudmata jagan lihtsalt oma hobitegevuse kogemusi ja mõtteid.

Pärast mõningast tutvumist Atmega ja lugemist STM32 ilu kohta ostsin ma pool tosinat erinevat plaati – nii Discovery, kui ka "Sinised Tabletid" ning isegi tavalisi kiipe oma projektide jaoks. Kõik need kaks aastat tolmu kogusid karbis. Vahel ütlesin endale: "Nüüd alustan STM õppimist", käivitades CubeMX, genereerides SPI seade, vaadates saadud tekstimüüri, mis oli rohkelt STM autoriõigustega maitsestatud, ja otsustasin, et see on kuidagi liiga keeruline.

CubeMX-s kirjutatuga tutvuda on muidugi võimalik. Kuid samas on aru saadav, et kõiki formuleeringuid meeles pidada ja hiljem käega kirjutada on ebareaalne. Ja kui ma juhuslikult unustan Cube-s mingit märkeruutu sisse tõmmata, siis selle debugimine on täiesti teema.

Kaks aastat on möödunud, ma ikka veel vaatan ahnelt ST MCU Finder erinevate maitsvate, kuid mulle arusaamatute kiipide poole ja juhtumisi leidsin suurepärane artikkel, kuigi STM8 kohta. Ja ütleb ühtäkki mõistsin, et olen kogu selle aja püüdnud avatud ust: STM registrid on sarnased teiste MK-de registritega ja nende kasutamiseks ei ole Cube'i tarvis. Mis, nii sai teha?..

HAL ja spetsiifiliselt STM32CubeMX on professionaalide tööriist, kes tegelevad tihedalt STM32 kiipidega. Peamine funktsioon on kõrge abstraktsioonitase, võimalus kiiresti migreeruda ühelt MK-lt teisele ja isegi ühelt südamikult teisele, jäädes STM32 tootegruppi. Huvilised kohtuvad selliste ülesannetega harva – meie MK valik on tavaliselt piiratud AliExpressi sortimendiga ning me migreerume tihedamini kardinaalselt erinevate kiipide vahel – näiteks ümber Atlmega STM-ile, STM-lt ESP-le või mis iganes uut Hiina sõbrad meile pakuvad. HAL ei aita siin, ja selle õppimisele kulub üsna palju aega.

Jääb LL – kuid sellest registriteni on ainult üks samm. Isiklikult leian, et oma makrode kirjutamine registri aadressidega on kasulik: uurin andmelehte tähelepanelikumalt, mõtlen, mida mul tulevikus vajab, ja mis kindlasti mitte, struktuurin oma programme paremini ning üldiselt aitab edasiviimine mälestude meeles hoidmisel.

Lisaks on levinud STM32F103 puhul nüanss – sellel on kaks üksteisega mittesobivat LL versiooni, üks ametlik STM-ilt ja teine – Leaf Labs'ilt, mida kasutatakse projektis STM32duino. Kui kirjutada avatud lähtekoodiga raamatukogu (ja see oli mul just selline ülesanne), tuleb kas teha kaks versiooni või pöörduda otse registrite poole.

Kokkuvõttes, LL-st loobumine, minu arvates, lihtsustab migreerimist, eriti kui alustada selle mõttega projekti algusest peale. Üks äärmuslik näide: kirjutame Arduinoga blink Atmel Studios ilma LL-ita:

#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++);
    } 
}

Et see kood paneks LEDi vilkuma Hiina plaadil STM8-l (ST Visual Desktopist), piisab, kui muuta kahte aadressi:

#define DDR_B 0x5007
#define OUT_B 0x5005

Jah, ma kasutan selle konkreetse plaadi LEDi ühendamise eripära, see vilgub väga aeglaselt, aga ikkagi vilgub!

Milliseid andmelehti on olemas

Artiklite ja foorumite, nii vene- kui ingliskeelsete, all mõistetakse "andmelehti" igasugust tehnikadokumentatsiooni kiipide kohta, ja mina teen seda ka selles tekstis. Formaalselt on nad vaid üks kujund andmelehtedest:

Datasheet – tehnilised näitajad, taktikalised-tehnilised omadused. Peab olema igal elektroonilisel komponendil. Abiteave, mille hoidmine käepärast on kasulik, kuid süvenenult ei ole seal eriti lugemist. Siiski, lihtsad kiibid piirduvad sageli andmelehega, et mitte toota liigseid dokumente; sel juhul Viidatud käsiraamat lisatakse siia.

Viidatud käsiraamat – ise juhend, suur raamat üle 1000+ lehe. Üksikasjalikult kirjeldatakse kõiki asju, mis on kiibi sees. Peamine dokument mikrokontrolleri õppimiseks. Erinevalt datasheet, juhendeid kirjutatakse laiale MK valikule, nad sisaldavad palju teavet periferaali kohta, mida sinu konkreetne mudel ei pruugi sisaldada.

Programmeerimismanuáln või Instruction Set Manual – unikaalsete mikrokontrolleri käskude juhend. Mõeldud neile, kes programmeerivad assembleris. Kompilaatorite autorid kasutavad seda aktiivselt koodi optimeerimiseks, seega ei ole see tavaliselt meil vajalik. Kuid siia piilumine on kasulik, et saada üldine arusaam, mõne spetsiifilise käsu kohta, nagu katke-väljumine ja ka aktiivse debuggeri kasutamisel.

Application Note – kasulikud näpunäited konkreetsete ülesannete lahendamiseks, sageli koodinäidete jaotamisega.

Errata Sheet – juhised mittestandardse käitumise kohta kiibi kohta koos võimalike lahendustega, kui need on olemas.

Mida andmelehtedes leidub

Otse Datasheet võime vajada selliseid jaotisi:

Device Summary – andmelehe esimene lehekülg annab lühikese ülevaate seadmest. Väga kasulik olukordades, kui oled kusagil leidnud kiibi (näinud poes, välja võtnud, kohtunud mainimisega) ja soovid mõista, mis see on.

General Description – üksikasjalikum kirjeldus kiipide võimalustest Vinest.

Pinouts – pinna jaotuse skeemid kõikide võimalike kiibi korpuste jaoks (millisel jalal milline pin).

Pin Description – iga pini määratlemise ja võimaluste kirjeldus.

Mälu kaart – aadresside kaart mälus ei pruugi olla vajalik, kuid mõnikord sisaldab see ka registriblokkide aadresside tabelit.

Register kaart – registriblokkide aadresside tabel, mis asub tavaliselt andmelehe, kuid Ref Manual – ainult nihked (aadressi nihked).

Elektrilised omadused – sellel jaotisel huvitavad meid kõigepealt absolute maximum ratings, mis loetleb kiibile maksimaalsed koormused. Erinevalt purunematust Atmega328p-st, enamik mikrokontrollereid ei luba pinna külge tõsiseid koormusi ühendada, mis osutub arduino kasutajate jaoks ebameeldivaks üllatuseks.

Pakendi teave – saadaval olevate korpuste joonised, mis on kasulikud oma plaatide projekteerimisel.

Viidatud käsiraamat struktuuriliselt koosneb jaotistest, mis on pühendatud konkreetsele periferiale, nagu on märgitud nende pealkirjades. Iga peatüki võib tinglikult jagada kolme ossa:

Ülevaade, Tutvustus, Funktsioonid – periferaalide võimaluste ülevaade;

Funktsionaalne kirjeldus, Kasutusjuhend või lihtsalt jaotise põhiosa – detaliseeritud tekstiline kirjeldus periferaali toimimisprincipidest ja selle kasutamise meetoditest;

Registrid – juhtimisregistrite kirjeldus. Lihtsate juhtumite, nagu GPIO või SPI puhul, võib sellest piisata, et periferaali alustada, kuid sageli peab siiski lugema ka eelnevaid osi.

Kuidas andmelehti lugeda

Andmelehed võivad alguses hirmutada oma suuruse ja arusaamatute sõnade rohkuse tõttu. Tegelikult ei ole kõik nii hirmus, kui teada mõningaid nippe.

Installige hea PDF-lugeja. Andmelehed on kirjutatud vanade paberjuhendite traditsioonides, neid on tore printida, plastikust märkmepaberite vahele panna ja siduda. Hüperskeeme leidub seal vaid jälgede kogustes. Õnneks, vähemalt dokumendi struktuur on vormistatud järjehoidjatega, seega on hea lugemine, millel on mugav navigeerimine, väga vajalik.

Andmeleht ei ole Stroustrupi õpik, seda ei pea lugema järjestikku. Kui kasutasite eelmist nõuannet – leidke lihtsalt vajaminev jaotis järjehoidjate paneelilt.

Andmelehed, eriti Viidatud juhendite, võivad kirjeldada mitte kindla kiibi, vaid kogu tootesarja. See tähendab, et pool või isegi kaks kolmandikku teabest ei pruugi olla seotud teie kiibiga. Enne TIM7 registrite uurimist kontrollige, General Descriptionkas see on teil olemas.

Teada inglise keelt on piisavalt põhitasemel. Andmelehed koosnevad pooleldi terminoloogiast, mis on keskmisele keelekõnelejale tundmatu, ja pooleldi – lihtsatest siduvast struktuuridest. Samuti on olemas suurepärased hiina andmelehed hiina inglise keeles, kus pool on samuti termineid ja teine pool on juhuslik sõnade kogum.

Kui kohtate tundmatut sõna, ärge pange seda inglise-vene sõnaraamatuga tõlkima. Kui teid segadusse ajab hysteresis, siis tõlge 'gisteres' ei tee teid soojemaks. Kasutage Google'i, Stack Overflow'd, Vikipeediat, foorumeid, kus vajaminev mõiste on selgitatud lihtsate sõnadega koos näidetega..

Parim viis loetu mõistmiseks – katsetada seda praktikas.Seega hoidke käepärast arenduspaneeli, millega tutvute, või veel parem – kaht, juhul kui midagi jääb arusaamatuks ja näete maagilist suitsu.

Kasulik on harjumus hoida andmelehte käepärast, kui loete kellegi õpetust või uurite kellegi teise raamatukogu. Tõenäoliselt leiate sealt optimaalsema lahenduse oma probleemile. Ja vastupidi – kui andmeleht ei ava teie jaoks, kuidas register töötab, google'ige seda: tõenäoliselt on keegi juba kõik lihtsate sõnadega kirjeldanud või jätnud arusaadava koodi GitHubi. Mõned kasulikud sõnad ja tähendused, mis aitavad andmelehtedega kiiremini kohaneda. Midagi, mis meelde tuli viimase paari päeva jooksul, täiendused ja parandused on oodatud.

Sõnastik

Elektromagnetism

Vcc
Vdd, – "pluss", toide Vss
Vss, Vee – "miinus", maa
current – vool
pinget tõmmata voolu
– töötama "maana" välise koormuse jaoks to source current
– toita välist koormust high sink/source pin
– pin, millel on suurenenud "koormuse taluvus" – kehaga taluv pin

IO
H, kõrge – pinal Vcc
L, madal – pinal Vss
High Impedance, Hi-Z, ujuv – pinal ei olegi midagi, "kõrge takistus", see on tegelikult välismaailmale nähtamatu.
nõrk tõmbamine, nõrk tõukamine – sisseehitatud tõukerihm, umbkaudne analoog 50 kΩ (vt andmelehte). Kasutatakse näiteks, et sisendpin ei rippuks õhus, tekitades vale aktiveerimise. Nõrk – kuna selle on lihtne "ülekanda".
push pull – väljundrežiim pinal, kus see vahetub Kõrge ja Madal – tavaline Väljund Arduinoga.
open drain – väljundrežiimi tähistus, kus pin võib olla kas Madal, või High Impedance / Ujuv. Peaaegu alati ei ole see siiski "päris" avatud, seal on kaitse dioodid, takistid jne. See on lihtsalt maapinna/režiimi tähistus.
päris avatud drenaaž – aga see on juba päris avatud drenaaž: pistik viib otse maapinnale, kui see on avatud, või on riputatud olekus, kui see on suletud. See tähendab, et selle kaudu saab vajadusel lasta pinget suurem kui Vcc, kuid maksimaalne on ikka määratud andmelehe osas Absoluutne maksimaalne reiting / Pinge.

Liidesed
sarjas – ühendatud järjestikku
ahelasse – mikrokiipe järjestikku ühendades, suurendades väljundite arvu.
nihke – nihke, tavaliselt tähendab see bitnihku. Seega sisenema nihkesse ja välja nihkesse – andmete vastuvõtmine ja edastamine bititi.
kinnihoidja – tõke, mis katab puhvri, kuni bitid on nihkesse tõugatud. Kui edastus on lõppenud, avatakse tõke ja bitid hakkavad tööle.
kellasse sisenema – teostada bitipõhine edastus, nihutada kõik bitid õigesse kohta.
topeltpuhver, varjatud register, eelregistir – ajalugu, kui register peab suutma vastu võtta uusi andmeid, kuid hoidma neid mingil hetkel kinni. Näiteks, et PWM töötaks õigesti, ei tohiks selle parameetrid (täpsus, sagedus) muutuda enne, kui käesolev tsükkel on lõppenud, kuid uued parameetrid võivad juba olla edastatud. Seega, käesolevad hoitakse varjatud register, kuid uued jõuavad eelregistir, olles kirjutatud vastavasse mikrokiibi registrisse.

Igal juhul
eeljaotur – sageduse eeljagaja
bit seada – seada bit 1-ks
bit kustutada/taastada – lähtestada bit 0-ks (reset – STM andmelehtede omadus)

Mis edasi

Alguses plaaniti praktilist osa, mille raames demonstreeritakse kolme projekti STM32 ja STM8, mis on spetsiaalselt selle artikli jaoks loodud andmelehtede abil lambikeste, SPI, taimerite, PWM-i ja katkemistega:

Aga teksti tuleb liiga palju, seega saadetakse projektid teise ossa.

Andmelehtede lugemise oskus aitab teil teie hobis, kuid tõenäoliselt ei asenda see elavat suhtlemist kolleegidega foorumites ja vestlustes. Selleks peab ikkagi peamiselt inglise keelt harima. Seega, neile, kes on lugenud lõpuni – eriline auhind: kaks tasuta tundi Skyengis esmakordse tasumise puhul koodiga HABR2.

Allikas: habr.com