マイクロコントローラーが趣味の場合、データシートを読む方法とその理由

マイクロエレクトロニクスは、魔法の Arduino のおかげで、近年ファッショナブルな趣味になっています。 しかし、ここに問題があります。十分に興味があれば、すぐに DigitalWrite() を超えることができますが、次に何をすべきかは完全には明確ではありません。 Arduinoの開発者はエコシステムへの参入障壁を下げることに多大な努力を払ってきましたが、エコシステムの外にはアマチュアにはアクセスできない過酷な回路の暗い森がまだ残っています。

たとえば、データシート。 彼らはすべてを持っているようで、それを手に取って使用します。 しかし、それらの著者は明らかに、マイクロコントローラーを普及させるという使命を自分たちに課していません。 時々 それはそうです初心者をできるだけ混乱させるために、簡単なことを説明するときに、理解できない用語や略語を意図的に乱用しているということです。 しかし、すべてがそれほど悪いわけではなく、必要に応じて棺は開きます。

この記事では、趣味の目的でデータシートと通信する人文科学の専門家の経験を共有します。 このテキストは、Arduino パンツから成長したアマチュアを対象としており、マイクロコントローラーの動作原理をある程度理解していることを前提としています。

伝統的なものから始めます

ArduinoでLEDを点滅させる

そしてすぐにコード:

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

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

"これは何ですか？ – 洗練された読者は尋ねるでしょう。 – PINB 入力レジスタに何かを書き込むのはなぜですか? 読むだけですよ！」 本当に、 Arduinoのドキュメントでは、インターネット上のほとんどの教育記事と同様に、このレジスタは読み取り専用であると記載されています。 自分も読み返すまでそう思ってた データシート Atmega328p にこの記事を準備中です。 そしてそこに：

これは比較的新しい機能であり、Atmega8 にはなかったので、誰もが知っているわけではないか、下位互換性の理由から言及されていません。 しかし、あまり知られていない機能も含め、チップのすべての機能を使用するにはデータシートを読む価値があるという考えを実証するのに非常に適しています。 そして、これが唯一の理由ではありません。

なぜデータシートを読む必要があるのでしょうか?

通常、Arduino エンジニアは LED と AnalogWrite を十分に試した後、ライブラリがすでに書き込まれているあらゆる種類のモジュールやチップをボードに接続し始めます。 遅かれ早かれ、本来どおりに動作しないライブラリが出現します。 それを素人が直すためにいじり始めると…。

そこではまったく理解できないことが起こるので、Google にアクセスし、多数のチュートリアルを読み、誰かの適切なコードの一部を引っ張り出し、最終的に目標を達成する必要があります。 これは大きな達成感を与えますが、実際には、このプロセスはオートバイをリバースエンジニアリングして車輪を再発明するようなものです。 さらに、このバイクがどのように機能するかについての理解は深まりません。 私もこれを長い間自分でやってきたのでわかります。

このエキサイティングな活動の代わりに、Atmega328 ドキュメントの研究に数日を費やしていたら、大幅に時間を節約できたでしょう。 結局のところ、これは非常に単純なマイクロコントローラーです。

したがって、マイクロコントローラーが一般的にどのように動作し、何ができるかを想像するには、少なくともデータシートを読む必要があります。 そしてさらに：

• 他の人のライブラリをチェックして最適化するため。 これらは多くの場合、車輪を再発明したのと同じアマチュアによって書かれています。 あるいは逆に、著者は意図的に過度にフールプルーフにしています。 XNUMX 倍大きくして速度は遅くなりますが、間違いなく機能します。

• 誰もライブラリを作成していないプロジェクトでチップを使用できるようにする。

• ある MK ラインから別の MK ラインへの移行を容易にするため。

• Arduino に適合しなかった古いコードを最終的に最適化します。

• ライブラリがある場合にはその構造をわざわざ調べることなく、レジスタを介してチップを直接制御する方法を学ぶためです。

HAL と LL があるのに、なぜレジスタに直接書き込むのでしょうか?

用語集
HAL、高抽象化レイヤー – 高度な抽象度でマイクロコントローラーを制御するためのライブラリ。 SPI1 インターフェイスを使用する必要がある場合は、どのレジスタが何を担当するかを考えずに、SPI1 を設定して有効にするだけです。
LL、低レベル API – レジスタ アドレスを持つマクロまたは構造体を含むライブラリ。名前でアクセスできます。 Atmega の DDRx、PORTx、PINx は LL です。

「HAL、LL、またはレジスタ」というトピックに関する論争は、Habré のコメントで定期的に発生します。 アストラル知識へのアクセスを主張することなく、私は単に私の素人の経験と考えを共有します。

Atmega のことを多かれ少なかれ理解し、STM32 の素晴らしさに関する記事を読んだので、Discovery や Blue Pills など、XNUMX 種類のボードを購入し、さらには自作製品用のチップも購入しました。 それらはすべてXNUMX年間箱の中に埃を集めていました。 時々、私は自分にこう言いました。「これで終わりだ、今週末から STM をマスターするぞ」CubeMX を起動し、SPI 用のセットアップを生成し、STM の著作権がふんだんに盛り込まれたテキストの壁を見て、これも何とかだろうと判断しました。多くの。

もちろん、CubeMX がここで何を書いたかはわかります。 しかし同時に、すべての言葉遣いを覚えてから手書きするのが非現実的であることも明らかです。 これをデバッグするために、Cube 内のボックスにチェックを入れるのをうっかり忘れてしまったとしても、まったく問題ありません。

XNUMX年が経った今でも唇を舐めている ST MCU ファインダー あらゆる種類のおいしいが、私の理解を超えたチップス、そして偶然出会った 素晴らしい記事、STM8についてですが。 そして 突然 私は、これまでずっと開いたドアをノックしていたことに気づきました。STM のレジスターは他の MK のレジスターと同じように配置されており、Cube でそれらを操作する必要はありません。 それは可能でしたか...

HAL、特に STM32CubeMX は、STM32 チップを密接に扱うプロのエンジニア向けのツールです。 主な特徴は、高レベルの抽象化であり、STM32 ライン内に留まりながら、ある MCU から別の MCU、さらにはあるコアから別の MCU に迅速に移行できる機能です。 愛好家がそのような問題に遭遇することはめったにありません - 私たちのマイクロコントローラーの選択は、原則として、AliExpress の品揃えに限定されており、根本的に異なるチップの間で移行することがよくあります - 私たちは Atmega から STM、STM から ESP、または中国人の友人が新しいものであれば何でも移行します私たちに投げつけてください。 HAL はここでは役に立たず、勉強するのに多くの時間を費やします。

LL は残りますが、そこからレジスタまでは半ステップあります。 個人的には、レジスタ アドレスを使用してマクロを作成することが有益であると感じています。データシートをより注意深く検討し、将来必要になるものと絶対に必要としないものについて考え、プログラムをより適切に構成します。一般に、克服すると暗記が容易になります。 。

さらに、人気のある STM32F103 には微妙な違いがあります。互換性のない LL バージョンが 32 つあり、XNUMX つは STM の公式バージョン、もう XNUMX つは Leaf Labs のバージョンで、STMXNUMXduino プロジェクトで使用されています。 あなたがオープンソース ライブラリを作成する場合 (そして私はまさに そのようなタスク)、XNUMX つのバージョンを作成するか、レジスタに直接アクセスする必要があります。

最後に、私の意見では、特にプロジェクトの最初から計画している場合、LL を排除すると移行が簡素化されます。 誇張された例: LL を使用せずに Atmel Studio で Arduino の点滅を書いてみましょう:

#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++);
    } 
}

このコードで STM8 (ST Visual Desktop から) を備えた中華ボードの LED を点滅させるには、コード内の XNUMX つのアドレスを変更するだけで十分です。

#define DDR_B 0x5007
#define OUT_B 0x5005

はい、特定のボードに LED を接続する機能を使用しています。非常にゆっくり点滅しますが、それは起こります。

データシートにはどのような種類がありますか?

ロシア語と英語の記事やフォーラムでは、「データシート」とはチップに関する技術文書を意味しており、本文でも同様に扱います。 正式には、これらはそのようなドキュメントの XNUMX つのタイプにすぎません。

データシート – パフォーマンス特性、戦術的および技術的特性。 あらゆる電子部品には必須です。 背景情報は手元に置いておくと便利ですが、熟考して読むべき内容はあまりありません。 ただし、より単純なチップは、不要なドキュメントを作成しないようにデータシートに制限されることがよくあります。 この場合 リファレンスマニュアル ここに含まれています。

リファレンスマニュアル – 説明書自体は 1000 ページ以上ある健全な本です。 チップに詰め込まれているすべての機能が詳細に説明されています。 マイクロコントローラーをマスターするための主要なドキュメント。 とは異なり データシート、説明書は幅広い MK 向けに書かれており、特定のモデルでは利用できない周辺機器に関する多くの情報が含まれています。

プログラミングマニュアル または 命令セットマニュアル – 独自のマイクロコントローラーコマンドの説明。 アセンブリ言語でプログラミングする人向けに設計されています。 コンパイラの作成者はコードを最適化するためにこれを積極的に使用するため、一般的なケースでは必要ありません。 ただし、ここで確認することは、一般的な理解、割り込みの終了などの特定のコマンド、およびデバッガを積極的に使用する場合に役立ちます。

アプリケーションノート – 特定の問題を解決するための役立つヒント。多くの場合、コード例が含まれます。

正誤表 – 非標準的なチップ動作のケースと回避策のオプション (存在する場合) の説明。

データシートの内容

直接 データシート 次のセクションが必要になる場合があります。

デバイスの概要 – データシートの最初のページにはデバイスについて簡単に説明されています。 どこかでチップを見つけた（店で見た、はんだ付けした、言及を見つけた）ときに、それが何であるかを理解したい場合に非常に便利です。

概要 – 製品ラインのチップの機能のより詳細な説明。

ピン割り当て – 考えられるすべてのチップ パッケージのピン配置図 (どのピンがどのレッグにあるか)。

ピンの説明 – 各ピンの目的と機能の説明。

メモリマップ – メモリ内にアドレス マップが必要になることはほとんどありませんが、レジスタ ブロック アドレスのテーブルが含まれる場合もあります。

地図を登録する – レジスタ ブロックのアドレスのテーブルは、原則としてデータシートと 参照マニュアル – シフトのみ (アドレスオフセット).

電気的特性 – このセクションでは主に次のことに関心があります 絶対最大定格、チップごとの最大負荷をリストします。 破壊不可能な Atmega328p とは異なり、ほとんどの MK では重大な負荷をピンに接続することができません。これは Arduinist にとって不快な驚きになります。

パッケージ情報 – 利用可能なケースの図面。ボードの設計時に役立ちます。

リファレンスマニュアル 構造的には、タイトルに示されている特定の周辺機器に特化したセクションで構成されています。 各章は次の XNUMX つの部分に分かれています。

概要, 概要, 特徴 – 周辺機能の概要。

機能説明, 使用ガイド または単にセクションのメインブロック - 周辺機器の原理とその使用方法についての詳細なテキスト説明。

レジスタ – 制御レジスタの説明。 GPIO や SPI などの単純なケースでは、ペリフェラルの使用を開始するにはこれで十分かもしれませんが、多くの場合、まだ前の部分を読む必要があります。

データシートの読み方

データシートは、習慣的に、その量と理解できない単語の多さに驚かされます。 実際、いくつかのライフハックを知っていれば、すべてはそれほど怖いものではありません。

セット 優れた PDF リーダー。 データシートは紙の指示の輝かしい伝統に従って書かれており、印刷してプラスチックのブックマークに挟んで縫うのに最適です。 それらの中にハイパーテキストが微量に観察されます。 幸いなことに、少なくとも文書の構造はブックマークを使用して設計されているため、簡単にナビゲーションできる適切なリーダーが非常に必要です。

データシートは Stroustrup の教科書ではなく、次の内容が含まれています。 全部読む必要はない。 前のアドバイスを使用した場合は、ブックマーク バーで目的のセクションを見つけるだけです。

データシート、特に リファレンスマニュアル、特定のチップの機能を説明することはできませんが、 行全体。 これは、情報の半分、あるいは 7 分の XNUMX がチップに関連しないことを意味します。 TIMXNUMX レジスタを学習する前にチェックインしてください 概要、 あなたはそれを手に入れましたか？

知っている английский 十分な 基礎の段階。 データシートは、平均的なネイティブ スピーカーには馴染みのない用語が半分、単純な接続構造が半分で構成されています。 中国語英語の優れた中国語データシートもあります。半分は用語であり、後半はランダムな単語のセットです。

会えたら 馴染みのない言葉、英語-ロシア語辞書を使用して翻訳しようとしないでください。 迷ったら ヒステリシス、その場合、「ヒステリシス」という翻訳はあなたを暖かくしません。 Google、Stack Overflow、Wikipedia、フォーラムを使用します。必要な概念は次のとおりです。 例を挙げて簡単な言葉で説明する.

読んだ内容を理解する最良の方法は、 アクションをチェックインする。 したがって、まだ何かを誤解して魔法の煙を見た場合に備えて、使い慣れたデバッグ ボードを XNUMX 枚、できれば XNUMX 枚手元に置いておいてください。

作業を行うときにデータシートを手元に置いておくのは良い習慣です。 誰かのチュートリアルを読んでいる または他の人のライブラリを研究することもできます。 その中で、問題に対するより最適な解決策が見つかる可能性は十分にあります。 逆も同様です。レジスタが実際にどのように機能するかをデータシートから理解できない場合は、Google で調べてください。おそらく、誰かが既に簡単な言葉ですべてを説明しているか、GitHub に明確なコードを残しているでしょう。

用語集

データシートにすぐに慣れるのに役立ついくつかの便利な単語と記号。 ここ数日で思い出したこと、追加、修正大歓迎です。

電気
Vccの, 真実 – 「プラス」、食べ物
対, ヴィー – 「マイナス」、地球
現在 - 現在
電圧 - 電圧
電流をシンクする – 外部負荷の「アース」として機能します
電流を供給する – 外部負荷への電力供給
ハイシンク/ソースピン – 負荷に対する「耐性」が向上したピン

IO
高、高 – Vcc ピン上
L、低 – Vssピン上
高インピーダンス, ハイゼット, floating – ピンには何もなく、「高抵抗」であり、外界からは実質的に見えません。
弱い懸垂, 弱いプルダウン – 内蔵プルアップ/プルダウン抵抗、約 50 kΩ に相当 (データシートを参照)。 たとえば、入力ピンが空中にぶら下がって誤警報が発生するのを防ぐために使用されます。 弱い -彼を「中断」するのは簡単だからです。
押し引き – ピン出力モード。 ハイ и ロー – Arduino からの通常の出力。
オープンドレイン – ピンが次のいずれかになる出力モードの指定 ローまたは ハイインピーダンス/フローティング。 さらに、ほとんどの場合、これは「本物の」オープン ドレインではなく、保護ダイオード、抵抗などが存在します。 これは単にグラウンド/なしモードの指定です。
真のオープンドレイン - しかし、これは実際のオープン ドレインです。ピンが開いている場合はピンが直接グランドにつながり、閉じている場合はピンが動かないままになります。 これは、必要に応じて Vcc を超える電圧を通過させることができることを意味しますが、最大値は依然としてデータシートのセクションで指定されています。 絶対最大定格/電圧.

インターフェイス
シリーズで – 直列に接続されている
チェーンする – シリアル接続を使用してチップをチェーンに組み立て、出力の数を増やします。
シフト – シフト。通常はビット シフトを示します。 それぞれ、 シフトインする и シフトアウトする – データをビットごとに送受信します。
– ビットがバッファーを介してシフトされる間、バッファーをカバーするラッチ。 移送が完了するとバルブが開き、ビットが動き始めます。
打刻する – ビットごとの転送を実行し、すべてのビットを正しい場所にシフトします。
ダブルバッファ, シャドウレジスタ, プリロードレジスタ – 履歴指定。レジスタが新しいデータを受け入れることができる必要があるが、ある時点まで保持する必要がある場合。 たとえば、PWM が正しく動作するには、現在のサイクルが終了するまでそのパラメータ (デューティ サイクル、周波数) が変更されるべきではありませんが、新しいパラメータはすでに転送されている可能性があります。 したがって、現在のものは次のとおりです。 シャドウレジスタ、新しいものは以下に該当します。 プリロードレジスタ、対応するチップレジスタに書き込まれます。

いろいろなこと
プリスケーラ – 周波数プリスケーラー
少し設定する – ビットを 1 に設定します
ビットをクリア/リセットするには – ビットを 0 にリセット (リセット – STM データシート機能)

次のステップ

一般に、ここでは STM32 および STM8 に関する XNUMX つのプロジェクトのデモンストレーションを行う実践的な部分が計画されています。これらは、電球、SPI、タイマー、PWM、および割り込みを使用してデータシートを使用してこの記事のために特別に作成されました。

ただし、テキストが多いため、プロジェクトは第 XNUMX 部に送られます。

データシートを読むスキルは趣味に役立ちますが、フォーラムやチャットでの趣味仲間とのライブコミュニケーションに代わるものではありません。 そのためには、まず第一に英語力を向上させる必要があります。 したがって、読み終えた人には特別な賞品が与えられます: コードを使用した最初の支払いで、Skyeng での XNUMX 回の無料レッスン HABR2.

出所： habr.com