마이크로컨트롤러가 취미인 경우 데이터시트를 읽는 방법과 이유

마이크로일렉트로닉스는 마법의 Arduino 덕분에 최근 몇 년간 유행하는 취미입니다. 그러나 여기에 문제가 있습니다. 관심이 충분하면 DigitalWrite()를 빠르게 초과할 수 있지만 다음에 무엇을 해야 할지 완전히 명확하지 않습니다. Arduino 개발자는 생태계 진입 장벽을 낮추기 위해 많은 노력을 기울였지만, 그 외부에는 여전히 아마추어가 접근할 수 없는 가혹한 회로의 어두운 숲이 있습니다.

예를 들어 데이터시트. 다 있는 것 같고, 가져다가 사용하는 것 같아요. 그러나 그들의 저자는 분명히 마이크로 컨트롤러를 대중화하는 임무를 스스로 설정하지 않았습니다. 때때로 ... 일 것 같다초심자를 최대한 혼란스럽게 하기 위해 단순한 것을 설명할 때 이해할 수 없는 용어와 약어를 고의적으로 남용한다는 것입니다. 그러나 모든 것이 그렇게 나쁘지는 않으며 원하는 경우 관이 열립니다.

이 기사에서는 취미 목적으로 데이터시트를 사용하여 소통하는 인문학 전문가의 경험을 공유하겠습니다. 이 텍스트는 Arduino 바지에서 자란 아마추어를 대상으로 하며 마이크로컨트롤러의 작동 원리를 어느 정도 이해하고 있다고 가정합니다.

전통적인 것부터 시작하겠습니다.

Arduino에서 LED 깜박임

그리고 즉시 코드는 다음과 같습니다.

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

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

"이게 뭔가요? – 정교한 독자가 물을 것입니다. – PINB 입력 레지스터에 무언가를 쓰는 이유는 무엇입니까? 읽기 전용이에요!” 정말, Arduino 문서, 인터넷의 대부분의 교육 기사와 마찬가지로 이 레지스터는 읽기 전용이라고 명시되어 있습니다. 다시 읽기 전까지 나 자신도 그렇게 생각했다. 데이터 시트 Atmega328p로 이 글을 준비 중입니다. 거기:

이것은 비교적 새로운 기능으로 Atmega8에는 없었으며 모든 사람이 이에 대해 알지 못하거나 이전 버전과의 호환성 때문에 언급되지 않았습니다. 그러나 잘 알려지지 않은 기능을 포함하여 칩의 모든 기능을 사용하기 위해 데이터시트를 읽을 가치가 있다는 아이디어를 입증하는 데 매우 적합합니다. 그리고 이것이 유일한 이유는 아닙니다.

또 왜 데이터시트를 읽어야 할까요?

일반적으로 Arduino 엔지니어는 LED 및 AnalogWrites를 충분히 사용하여 이미 작성된 라이브러리가 있는 모든 종류의 모듈과 칩을 보드에 연결하기 시작합니다. 조만간 제대로 작동하지 않는 라이브러리가 나타납니다. 그런 다음 아마추어가 그것을 고치기 위해 고르기 시작하고...

그리고 거기에서 완전히 이해할 수 없는 일이 일어나므로 Google에 가서 수많은 튜토리얼을 읽고 누군가의 적합한 코드의 일부를 뽑아 마침내 목표를 달성해야 합니다. 이것은 강력한 성취감을 주지만 실제로 그 과정은 오토바이를 리버스 엔지니어링하여 바퀴를 재발명하는 것과 같습니다. 게다가 이 자전거가 어떻게 작동하는지에 대한 이해도도 늘어나지 않습니다. 나도 알아요, 왜냐하면 제가 이 일을 꽤 오랫동안 직접 해왔거든요.

이 흥미로운 활동 대신 며칠 동안 Atmega328 문서를 연구했다면 엄청난 시간을 절약했을 것입니다. 결국 이것은 매우 간단한 마이크로 컨트롤러입니다.

따라서 마이크로컨트롤러가 일반적으로 어떻게 작동하고 무엇을 할 수 있는지 상상하기 위해서는 최소한 데이터시트를 읽어야 합니다. 그리고 더 나아가:

• 다른 사람의 라이브러리를 확인하고 최적화합니다. 그들은 종종 바퀴를 재발명한 동일한 아마추어에 의해 작성되었습니다. 또는 그와 반대로 저자는 의도적으로 그것들을 지나치게 쉽게 만들었습니다. XNUMX배 더 크고 느리게 놔두세요. 하지만 확실히 작동할 것입니다.

• 아무도 라이브러리를 작성하지 않은 프로젝트에서 칩을 사용할 수 있습니다.

• 한 MK 라인에서 다른 MK 라인으로 더 쉽게 마이그레이션할 수 있도록 합니다.

• Arduino에 맞지 않는 이전 코드를 마침내 최적화합니다.

• 라이브러리의 구조를 연구할 필요 없이 레지스터를 통해 직접 칩을 제어하는 ​​방법을 배울 수 있습니다.

HAL과 LL이 있는데 레지스터에 직접 쓰는 이유는 무엇입니까?

용어집
HAL, 높은 추상화 계층 – 높은 수준의 추상화를 통해 마이크로컨트롤러를 제어하기 위한 라이브러리입니다. SPI1 인터페이스를 사용해야 하는 경우 어떤 레지스터가 무엇을 담당하는지 생각하지 않고 간단히 SPI1을 구성하고 활성화하면 됩니다.
LL, 저수준 API – 레지스터 주소가 있는 매크로 또는 구조가 포함된 라이브러리로, 이름으로 액세스할 수 있습니다. Atmega의 DDRx, PORTx, PINx는 LL입니다.

Habré에 대한 댓글에서는 "HAL, LL 또는 레지스터" 주제에 대한 분쟁이 정기적으로 발생합니다. 아스트랄 지식에 대한 접근권을 주장하지 않고 단순히 아마추어 경험과 생각을 공유하겠습니다.

Atmega를 어느 정도 파악하고 STM32의 훌륭함에 대한 기사를 읽은 후 Discovery 및 Blue Pills와 같은 XNUMX개의 다른 보드를 구입했으며 심지어 집에서 만든 제품용 칩도 구입했습니다. 그들은 모두 XNUMX년 동안 상자 안에 먼지를 모았습니다. 때때로 나는 스스로에게 이렇게 말했습니다. “이제 주말부터 STM을 마스터할 거야.” CubeMX를 시작하고 SPI용 설정을 생성하고 결과로 나온 텍스트 벽을 살펴보고 STM 저작권으로 넉넉하게 맛을 낸 다음 이것도 역시 마찬가지라고 결정했습니다. 많이.

물론 여기에서 CubeMX가 쓴 내용을 파악할 수 있습니다. 그러나 동시에 모든 문구를 기억하고 손으로 쓰는 것은 비현실적이라는 것이 분명합니다. 그리고 이것을 디버깅하기 위해 큐브에서 상자를 선택하는 것을 실수로 잊어버린 경우에도 괜찮습니다.

XNUMX년이 지났지만 아직도 입술을 핥고 있어요 ST MCU 파인더 모든 종류의 맛있는 음식을 위해 내 이해를 넘어서는 칩이 우연히 발견되었습니다. 훌륭한 기사, STM8에 관한 것이지만. 그리고 갑자기 나는 이번에 열린 문을 두드리고 있었다는 것을 깨달았습니다. STM의 레지스터는 다른 MK의 레지스터와 동일한 방식으로 배열되어 있으며 이들과 함께 작업하는 데 큐브가 필요하지 않습니다. 혹시 가능했을까?..

HAL, 특히 STM32CubeMX는 STM32 칩과 긴밀하게 협력하는 전문 엔지니어를 위한 도구입니다. 주요 특징은 높은 수준의 추상화, 즉 STM32 라인 내에서 한 MCU에서 다른 MCU로, 심지어 한 코어에서 다른 코어로 빠르게 마이그레이션할 수 있는 능력입니다. 애호가들은 이러한 문제에 거의 직면하지 않습니다. 일반적으로 우리가 선택하는 마이크로 컨트롤러는 AliExpress 제품군으로 제한되며 근본적으로 다른 칩 사이를 마이그레이션하는 경우가 많습니다. Atmega에서 STM으로, STM에서 ESP로 또는 중국 친구의 새로운 제품으로 이동합니다. 우리에게 던져라. HAL은 여기서는 도움이 되지 않으며 이를 연구하는 데 많은 시간이 소요됩니다.

LL은 남아 있지만 그것에서 레지스터까지 반 단계가 있습니다. 개인적으로 저는 레지스터 주소를 사용하여 매크로를 작성하는 것이 유용하다고 생각합니다. 데이터시트를 더 주의 깊게 연구하고, 미래에 필요한 것과 확실히 필요하지 않은 것이 무엇인지 생각하고, 프로그램을 더 잘 구성하고, 일반적으로 극복하는 것이 암기에 도움이 됩니다. .

또한 인기 있는 STM32F103에는 뉘앙스가 있습니다. 호환되지 않는 두 가지 LL 버전이 있습니다. 하나는 STM의 공식 버전이고 다른 하나는 STM32duino 프로젝트에 사용되는 Leaf Labs의 버전입니다. 오픈 소스 라이브러리를 작성한다면(그리고 나는 정확히 그런 일), 두 가지 버전을 만들거나 레지스터에 직접 액세스해야 합니다.

마지막으로, 제 생각에는 LL을 제거하면 마이그레이션이 더 쉬워집니다. 특히 프로젝트 초기부터 계획을 세운다면 더욱 그렇습니다. 과장된 예: LL 없이 Atmel Studio에서 Arduino 깜박임을 작성해 보겠습니다.

#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++);
    } 
}

이 코드가 STM8(ST Visual Desktop의)이 있는 중국 보드의 LED를 깜박이게 하려면 두 개의 주소를 변경하면 충분합니다.

#define DDR_B 0x5007
#define OUT_B 0x5005

예, 특정 보드에 LED를 연결하는 기능을 사용합니다. 매우 느리게 깜박이지만 실제로는 발생합니다!

어떤 유형의 데이터시트가 있나요?

러시아어와 영어로 된 기사와 포럼에서 "데이터시트"는 칩에 대한 모든 기술 문서를 의미하며 이 텍스트에서도 동일한 의미를 갖습니다. 공식적으로는 이러한 문서의 한 유형일 뿐입니다.

데이터시트 – 성능 특성, 전술적 및 기술적 특성. 모든 전자 부품에 필수입니다. 배경 정보는 가까이에 두는 것이 유용하지만, 신중하게 읽을 내용은 많지 않습니다. 그러나 더 간단한 칩은 불필요한 문서를 생성하지 않기 위해 데이터시트로 제한되는 경우가 많습니다. 이 경우 참조 설명서 여기에 포함되어 있습니다.

참조 설명서 – 지침 자체는 1000페이지가 넘는 건강한 책입니다. 칩에 담긴 모든 작업이 자세히 설명되어 있습니다. 마이크로컨트롤러를 마스터하기 위한 주요 문서입니다. 같지 않은 데이터 시트, 지침은 광범위한 MK에 대해 작성되었으며 특정 모델에서 사용할 수 없는 주변 장치에 대한 많은 정보가 포함되어 있습니다.

프로그래밍 매뉴얼 또는 명령어 세트 매뉴얼 – 고유한 마이크로컨트롤러 명령에 대한 지침. 어셈블리 언어로 프로그래밍하는 사람들을 위해 설계되었습니다. 컴파일러 작성자는 이를 적극적으로 사용하여 코드를 최적화하므로 일반적인 경우에는 필요하지 않습니다. 그러나 여기서 살펴보는 것은 일반적인 이해, 인터럽트 종료와 같은 일부 특정 명령 및 디버거를 적극적으로 사용하는 데 유용합니다.

애플리케이션 노트 – 종종 코드 예제와 함께 특정 문제를 해결하는 데 유용한 팁입니다.

정오표 시트 – 해결 옵션이 있는 비표준 칩 동작 사례에 대한 설명(있는 경우)

데이터시트에는 무엇이 있나요?

직접 데이터시트 다음 섹션이 필요할 수 있습니다.

장치 요약 – 데이터시트의 첫 번째 페이지에는 장치에 대한 간략한 설명이 나와 있습니다. 어딘가에서 칩을 발견하고(상점에서 보거나, 납땜하거나, 언급된 내용을 발견함), 그것이 무엇인지 이해하고 싶은 상황에 매우 유용합니다.

일반 설명 – 라인의 칩 기능에 대한 자세한 설명입니다.

핀아웃 – 가능한 모든 칩 패키지에 대한 핀아웃 다이어그램(어느 핀이 어느 레그에 있는지).

핀 설명 – 각 핀의 목적과 기능에 대한 설명.

메모리 맵 – 메모리에 주소 맵이 필요할 가능성은 없지만 때로는 레지스터 블록 주소 테이블도 포함됩니다.

지도 등록 – 일반적으로 레지스터 블록의 주소 테이블은 데이터 시트에 있으며 참조 매뉴얼 – 교대만 가능(주소 오프셋).

전기적 특성 – 이 섹션에서 우리는 주로 관심을 갖고 있습니다. 절대 최대 등급, 칩당 최대 로드를 나열합니다. 파괴할 수 없는 Atmega328p와 달리 대부분의 MK는 심각한 부하를 핀에 연결할 수 없으므로 Arduinists에게는 불쾌한 놀라움이 됩니다.

패키지 정보 – 보드를 디자인할 때 유용한 사용 가능한 케이스 도면.

참조 설명서 구조적으로는 제목에 표시된 특정 주변 장치에 대한 섹션으로 구성됩니다. 각 장은 세 부분으로 나눌 수 있습니다.

살펴보기, 개요, 특징 – 주변 기능의 개요

기능 설명, 사용 안내서 또는 단순히 섹션의 주요 블록 - 주변 장치의 원리와 사용 방법에 대한 자세한 텍스트 설명;

등록 – 제어 레지스터에 대한 설명. GPIO나 SPI와 같은 간단한 경우에는 주변 장치 사용을 시작하는 데 충분할 수 있지만 여전히 이전 부분을 읽어야 하는 경우가 많습니다.

데이터시트를 읽는 방법

습관적으로 데이터시트는 이해할 수 없는 단어의 양과 풍부함으로 여러분을 놀라게 합니다. 사실, 몇 가지 생활 꿀팁을 알고 있다면 모든 것이 그렇게 무섭지는 않습니다.

세트 좋은 PDF 리더. 데이터시트는 종이 지침의 영광스러운 전통으로 작성되어 인쇄하고 플라스틱 책갈피와 함께 삽입하고 바느질하기에 좋습니다. 그 안의 하이퍼텍스트는 미량으로 관찰됩니다. 다행스럽게도 최소한 문서의 구조는 북마크로 설계되어 있으므로 탐색이 쉽고 적합한 리더가 매우 필요합니다.

데이터시트는 Stroustrup의 교과서가 아닙니다. 다 읽을 필요는 없어. 이전 조언을 사용한 경우 북마크바에서 원하는 섹션을 찾으세요.

특히 데이터시트 참조 매뉴얼, 특정 칩의 기능을 설명할 수는 없지만 전체 라인. 이는 정보의 절반 또는 7/XNUMX가 칩과 관련이 없음을 의미합니다. TIMXNUMX 레지스터를 연구하기 전에 체크인하십시오. 일반 설명, 가지고 있나요?

알기 영어 충분하다 기본 레벨. 데이터시트는 일반 원어민에게 익숙하지 않은 용어의 절반과 간단한 연결 구조의 절반으로 구성됩니다. 중국어 영어로 된 우수한 중국어 데이터시트도 있는데, 절반은 용어이고 나머지 절반은 임의의 단어 집합입니다.

당신이 만난다면 낯선 단어, 영어-러시아어 사전을 사용하여 번역하려고 하지 마십시오. 혼란스럽다면 히스테리시스, 그러면 "히스테리시스" 번역이 당신을 따뜻하게 만들지 않을 것입니다. 필요한 개념이 있는 Google, Stack Overflow, Wikipedia, 포럼을 사용하세요. 예를 들어 간단한 단어로 설명.

읽은 내용을 이해하는 가장 좋은 방법은 다음과 같습니다. 체크인 작업. 따라서 여전히 뭔가를 오해하고 마법의 연기를 본 경우를 대비하여 자신에게 익숙한 디버그 보드 또는 두 개를 손에 보관하십시오.

데이터시트를 편리하게 보관하는 것은 좋은 습관입니다. 누군가의 튜토리얼을 읽고 또는 다른 사람의 도서관을 공부합니다. 문제에 대한보다 최적의 솔루션을 찾을 가능성이 높습니다. 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 레지스터가 실제로 어떻게 작동하는지 데이터시트에서 이해할 수 없다면 Google에 검색해 보세요. 아마도 누군가가 이미 모든 것을 간단한 단어로 설명했거나 GitHub에 명확한 코드를 남겼을 것입니다.

용어집

데이터시트에 빠르게 익숙해지는 데 도움이 되는 몇 가지 유용한 단어와 기호입니다. 지난 며칠간 제가 기억한 내용에 대해서는 추가와 수정을 환영합니다.

Электричество
VCC, VDD – “플러스”, 음식
Vss, 비 – "마이너스", 지구
current - 현재의
전압 - 전압
전류를 싱크하다 – 외부 부하에 대한 "접지"로 작동
전류를 공급하기 위해 – 전원 외부 부하
하이 싱크/소스 핀 – 부하에 대한 "공차"가 증가된 핀

IO
H,높음 – Vcc 핀에
L,낮음 – Vss 핀에
높은 임피던스, 하이-지, 떠 있는 – 핀에는 아무것도 없습니다. "높은 저항"으로 외부 세계에는 사실상 보이지 않습니다.
약한 풀업, 약한 풀다운 – 내장 풀업/풀다운 저항기, 대략 50kΩ에 해당(데이터시트 참조). 예를 들어, 입력 핀이 공중에 매달려 잘못된 긍정이 발생하는 것을 방지하는 데 사용됩니다. 약한 - 그를 "방해"하는 것이 쉽기 때문입니다.
푸시 풀 - 핀 출력 모드, 사이에서 전환 높은 и 낮은 – Arduino의 일반 출력.
개방형 배수구 – 핀이 다음 중 하나일 수 있는 출력 모드 지정 낮은또는 고임피던스/플로팅. 더욱이, 거의 항상 이것은 "실제" 오픈 드레인이 아니며 보호 다이오드, 저항기 등이 있습니다. 이는 단순히 접지/없음 모드를 지정하는 것입니다.
진정한 오픈 드레인 - 그러나 이것은 실제 개방형 배수구입니다. 핀이 열려 있으면 핀이 땅으로 직접 연결되고, 닫혀 있으면 림보 상태로 유지됩니다. 이는 필요한 경우 Vcc보다 큰 전압이 통과될 수 있지만 최대값은 여전히 ​​섹션의 데이터시트에 지정되어 있음을 의미합니다. 절대 최대 정격/전압.

인터페이스
시리즈로 – 직렬로 연결
사슬로 묶다 – 직렬 연결을 사용하여 칩을 체인으로 조립하여 출력 수를 늘립니다.
변화 – 시프트, 일반적으로 비트 시프트를 나타냅니다. 각기, 안으로 이동하다 и 밖으로 이동하다 – 비트 단위로 데이터를 수신하고 전송합니다.
걸쇠 – 비트가 버퍼를 통해 이동하는 동안 버퍼를 덮는 래치입니다. 전송이 완료되면 밸브가 열리고 비트가 작동하기 시작합니다.
출근하다 – 비트 단위 전송을 수행하고 모든 비트를 올바른 위치로 이동합니다.
이중 버퍼, 섀도우 레지스터, 사전 로드 레지스터 – 기록 지정, 레지스터가 새로운 데이터를 수용할 수 있어야 하지만 어느 시점까지 이를 유지해야 하는 경우. 예를 들어, PWM이 올바르게 작동하려면 해당 매개변수(듀티 사이클, 주파수)가 현재 주기가 끝날 때까지 변경되어서는 안 되지만 새 매개변수는 이미 전송될 수 있습니다. 따라서 현재의 상태는 그대로 유지됩니다. 섀도우 레지스터, 그리고 새로운 것은 사전 로드 레지스터, 해당 칩 레지스터에 기록됩니다.

온갖 것들
프리스케일러 – 주파수 프리스케일러
조금 설정하려면 – 비트를 1로 설정
조금 지우거나 재설정하려면 – 비트를 0으로 재설정(재설정 – STM 데이터시트 기능)

다음 단계

일반적으로 여기서는 전구, SPI, 타이머, PWM 및 인터럽트가 포함된 데이터시트를 사용하여 이 기사를 위해 특별히 제작된 STM32 및 STM8의 세 가지 프로젝트 시연을 통해 실용적인 부분이 계획되었습니다.

하지만 텍스트가 많아서 프로젝트는 두 번째 부분으로 보내집니다.

데이터시트를 읽는 기술은 취미 생활에 도움이 되지만 포럼 및 채팅에서 동료 애호가와의 실시간 커뮤니케이션을 대체할 수는 없습니다. 그러기 위해서는 우선 영어 실력을 향상시켜야 합니다. 따라서 이 책을 다 읽으신 분들은 코드를 사용한 첫 번째 결제 시 Skyeng에서 두 번의 무료 레슨을 받을 수 있는 특별한 상품을 받게 됩니다. HABR2.

출처 : habr.com