Hur och varför man ska läsa datablad, om mikrokontroller är ditt hobbyintresse

Mikroelektronik är en populär hobby de senaste åren tack vare den magiska Arduino. Men tyvärr: med rätt intresse växer man snabbt ur DigitalWrite(), och vad man ska göra härnäst är inte helt klart. Arduino-utvecklarna har lagt ner mycket arbete på att sänka inträdesbarriären till sitt ekosystem, men utanför dess gränser skälver fortfarande den mörka skogen av hårdvaruteknik, svåråtkomlig för nybörjare.

Till exempel, databladen. Det verkar som om de har allt, bara ta och använda. Men deras författare uppenbarligen inte har som mål att popularisera mikrokontroller; ibland verkar, som om de medvetet missbrukar oklara termer och akronymer för att beskriva enkla saker, för att maximalt förvirra den oinvigda. Men det är inte så illa, med lite intresse öppnar sig lådan.

I den här artikeln kommer jag att dela med mig av erfarenheterna hos en humanist när det kommer till databladen för hobbyändamål. Texten är avsedd för de som vuxit ur Arduino-byxorna och förutsätter en viss förståelse av hur mikrokontroller fungerar.

Jag börjar med det traditionella

Blinka med en lysdiod på Arduino

Och här är koden:

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

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

"Vad är detta?" – Frågar den erfarne läsaren. – "Varför skriver du något i ingångsregistret PINB? Det är ju bara för läsning!" Det är sant, Arduino-dokumentationen, precis som de flesta utbildningsartiklar på internet, hävdar att detta register är read-only. Jag trodde också det, tills jag läste om datablad Atmega328p, medan jag förberedde den här artikeln. Och där står det:

Detta är en relativt ny funktionalitet, den fanns inte på Atmega8, och inte alla känner till eller nämner den av bakåtkompatibilitets skäl. Men det är fullt användbart för att visa tanken att man bör läsa databladen för att utnyttja alla möjligheter hos chipet, inklusive de mindre kända. Och det är inte den enda anledningen.

Varför man bör läsa databladen

Vanligtvis börjar Arduino-användare, efter att ha lekt med lysdioder och AnalogWrite, att koppla in olika moduler och chip till kortet, för vilka det redan finns skrivna bibliotek. Men förr eller senare dyker ett bibliotek upp som inte fungerar som det ska. Då börjar hobbyn börjar peta i den för att fixa den, och där…

Där sker något som är helt oförståeligt, så man tvingas att gå till Google, läsa otaliga handledningar, plocka delar från någon annans lämpliga kod och slutligen nå sina mål. Det ger en stark känsla av prestation, men i själva verket påminner processen om att uppfinna en cykel genom att omvända ingenjörskonst av en motorcykel. Och förståelsen för hur den här cykeln fungerar ökar inte. Jag vet, eftersom jag har sysslat med detta ganska länge.

Om jag istället för detta fascinerande projekt hade lagt ett par dagar på att studera dokumentationen för Atmega328, skulle jag ha sparat en enorm mängd tid. I slutändan är det en ganska enkel mikrokontroller.

Således måste man läsa datablad minst för att förstå hur mikrokontrollern är uppbyggd och vad den kan göra. Och dessutom:

• för att kunna kontrollera och optimera andras bibliotek. Dessa skrivs ofta av lika entusiastiska personer som uppfinner cykeln; eller, å andra sidan, författarna gör avsiktligt överflödig säkerhet för dårar. Låt det vara tre gånger mer och långsammare, men det kommer definitivt att fungera;

• för att kunna använda chip i projektet för vilka ingen har skrivit ett bibliotek;

• för att göra det enklare att migrera från en serie mikrokontrollers till en annan;

• för att slutligen optimera sin gamla kod, som aldrig passade i Arduino;

• för att lära sig att styra vilken chip som helst direkt genom dess register, utan att behöva bekymra sig om att lära sig strukturen i dess bibliotek, om sådana finns.

Varför skriva direkt i registren när det finns HAL och LL?

Ordbok
HAL, High Abstraction Layer – ett bibliotek för att styra en mikrokontroller med hög nivå av abstraktion. Om man behöver använda SPI1-gränssnittet, konfigurerar och aktiverar man bara SPI1, utan att tänka på vilka register som ansvarar för vad.
LL, Low Level API – ett bibliotek som innehåller makron eller strukturer med registeradresser, vilket gör att man kan referera till dem med namn. DDRx, PORTx, PINx på Atmega – detta är LL.

Diskussioner om "HAL, LL eller register" dyker regelbundet upp i kommentarerna på Habré. Utan att påstå att jag har tillgång till astral kunskap, delar jag bara med mig av mina amatörmässiga erfarenheter och synpunkter.

Mer eller mindre bekant med Atmega och efter att ha läst artiklar om fördelarna med STM32, köpte jag ett halvdussin olika kort – både Discovery och "Blåa Tabletter", och till och med rena chip för mina egna projekt. Alla har legat i en låda i två år. Ibland sa jag till mig själv: "Nu börjar jag med STM från detta veckoslut", startade CubeMX, genererade en setup för SPI, tittade på den resulterande textväggen, djupt kryddad av STM:s copyright, och beslöt att detta var lite för mycket.

Självklart är det möjligt att förstå vad CubeMX har skrivit. Men det är samtidigt klart att man inte kan komma ihåg alla formuleringar för att sedan skriva dem manuellt. Och att debuggning av detta, om jag av misstag glömmer att slå på någon ruta i Cube, är helt ohanterligt.

Två år har gått, och jag kollar fortfarande på ST MCU Finder diverse intressanta men otillgängliga chip, och råkade snubbla över en utmärkt artikel, även om den handlar om STM8. Och plötsligt jag insåg att jag hela tiden hade knackat på en öppen dörr: register i STM är strukturerade precis som i vilken annan MK som helst, och för att arbeta med dem är Cube inte nödvändigt. Vadå, kunde man göra så?..

HAL och specifikt STM32CubeMX är verktyg för professionella ingenjörer som arbetar intensivt med STM32-chip. Den största fördelen är den höga abstraktionsnivån, möjligheten att snabbt migrera från en MK till en annan och till och med från en kärna till en annan, och ändå hålla sig inom STM32-familjen. Hobbyister stöter sällan på sådana uppgifter – vårt val av MK är vanligtvis begränsat till utbudet på AliExpress, och vi migrerar oftare mellan helt olika chip – flyttar från Atmega till STM, från STM till ESP, eller vad de kinesiska vännerna nu erbjuder oss.

Det kvarstår LL – men från det till registren är det bara ett steg. Personligen tycker jag att skriva mina egna makron med registeradresser är användbart: jag studerar databladet noggrant, tänker på vad jag kommer att behöva i framtiden och vad som definitivt är onödigt, strukturerar bättre mina program, och generellt sett hjälper övervinning att lära sig.

Dessutom finns det ett problem med den populära STM32F103 – för den finns två inkompatibla versioner av LL, en officiell från STM och den andra från Leaf Labs, som används i projektet STM32duino. Om man ska skriva ett open-source bibliotek (och det var exakt den uppgiften), måste man antingen göra två versioner eller gå direkt till registren.

Till slut förenklar avvisandet av LL, enligt min mening, migrationen, särskilt om man planerar för det från början av projektet. Ett överdrivet exempel: vi skriver ett Arduino blink i Atmel Studio utan 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++);
    } 
}

För att denna kod ska blinka en LED på ett kinesiskt kretskort med STM8 (från ST Visual Desktop), räcker det med att ändra två adresser i den:

#define DDR_B 0x5007
#define OUT_B 0x5005

Ja, jag använder en speciell anslutning för LED:en på det aktuella kortet, blinkandet kommer att vara väldigt långsamt, men det kommer att fungera!

Vilka typer av datablad finns det

I artiklar och på forum, både på ryska och engelska, betecknar "datablad" all teknisk dokumentation för chip, och så gör jag även i denna text. Formellt sett är de endast en av typerna av sådan dokumentation:

Datablad – TTX, taktisk-tekniska specifikationer. Finns alltid för varje elektronisk komponent. Referensinformation, bra att ha till hands, men något att tänka igenom i detalj finns det inte mycket av. Dock begränsas enklare chip ofta till datablad för att undvika onödig dokumentation; i så fall Reference Manual ingår detta här också.

Reference Manual – själva manualen, en stor bok på 1000+ sidor. Det beskrivs noggrant hur allt arbete i chipet fungerar. Huvuddokumentet för att lära sig mikrokontrollern. Till skillnad från datasheet, skrivs manualer för en bred serie MK, och de innehåller mycket information om periferin som saknas i din specifika modell.

Programmeringsmanual eller Instruktionshandbok – en instruktion om de unika kommandona för mikrokontrollern. Avsedd för dem som programmerar i assembler. Författarna av kompilatorer använder den aktivt för att optimera kod, så i allmänna fall kommer vi inte att behöva den. Men det är bra att titta hit för att få en allmän förståelse, för vissa specifika kommandon som att avbryta, samt vid aktiv användning av en debugger.

Applikationsnotat – användbara tips för att lösa specifika uppgifter, ofta med exempel på kod.

Errata-blad – en beskrivning av fall av icke-standardbeteende hos chipet med alternativa lösningar, om några.

Vad som finns i datablad

Direkt i Datablad kan vi behöva följande avsnitt:

Enhetsöversikt – första sidan av databladet ger i korthet information om enheten. Mycket användbar i situationer där du har stött på ett chip någonstans (sett i en butik, lött ut det, stött på en hänvisning) och vill förstå vad det är.

Allmän beskrivning – en mer detaljerad beskrivning av chipens möjligheter.

Pinouts – scheman för pinarrangemang för alla möjliga chipkapslar (vilken pin som finns på vilken fot).

Pin Description – beskrivning av funktionen och möjligheterna hos varje pin.

Memory Map – minnesadresskartan kommer förmodligen inte att behövas, men ibland inkluderar den också en tabell över adressblockens register.

Register Map – tabell över adressblockens register finns vanligtvis i databladet, och i Ref Manual – endast förskjutningar (address offsets).

Electrical Characteristics – i detta avsnitt är vi först och främst intresserade av absolute maximum ratings, som listar de maximala belastningar som chipet kan hantera. Till skillnad från den oförstörbara Atmega328p tillåter flesta MK inte att koppla allvarliga belastningar till pins, vilket blir en obehaglig överraskning för Arduino-användare.

Package Information – ritningar av tillgängliga kapslar, användbara vid design av egna kretskort.

Reference Manual består strukturellt av avsnitt som är dedikerade till specifik periferihazard, som anges i deras rubriker. Varje kapitel kan grovt sett delas in i tre delar:

Översikt, Introduktion, Features – en översikt över periferins funktioner;

Functional Description, Usage Guide eller helt enkelt den huvudsakliga delen av avsnittet – en detaljerad textbeskrivning av hur periferin fungerar och hur den används;

Registers – beskrivning av kontrollregister. I enkla fall som GPIO eller SPI kan detta vara tillräckligt för att börja använda periferin, men oftast måste man också läsa de föregående delarna.

Hur man läser datablad

Datablad kan vara skrämmande till en början med sin volym och mängden oklara ord. Egentligen är det inte så illa om man vet några tricks.

Installera en bra PDF-läsare. Datablad skrivs i god tradition av pappersmanualer; det är fantastiskt att skriva ut dem, använda plastmarkörer och binda ihop dem. Hypertext finns i mycket små mängder. Lyckligtvis gör dock dokumentets struktur det möjligt att använda markers, så en bra läsare med enkel navigering är mycket nödvändig.

Datablad är inte en lärobok av Stroustrup; man behöver inte läsa allt i ordning. Om du följde det tidigare rådet – hitta helt enkelt det nödvändiga avsnittet i bokmärkespanelen.

Datablad, särskilt Reference Manuals, kan beskriva möjligheter inte för ett specifikt chip utan för hela serien. Det betyder att hälften, eller till och med två tredjedelar av informationen, inte har något att göra med din chip. Innan du studerar TIM7-register, kontrollera om Allmän beskrivning, har du det.

Att veta engelska är tillräckligt på grundläggande nivå. Datasheets består till hälften av termer som en genomsnittlig språknivå inte är bekant med, och till hälften av enkla bindande konstruktioner. Det finns även utmärkta kinesiska datasheets på ”kinesisk engelska”, där hälften är termer och den andra hälften är en slumpmässig uppsättning ord.

Om du stöter på ett okänt ord, försök inte översätta det med en engelsk-ryska ordbok. Om du blir förvirrad av hysteresis, så kommer översättningen "hysteresis" inte att göra dig varmare. Använd Google, Stack Overflow, Wikipedia, forum där det relevanta begreppet förklaras med enkla ord och exempel.

Det bästa sättet att förstå det lästa är att pröva praktiskt. Så håll en utvecklingsbräda till hands, gärna två – ifall du inte har förstått något och ser den magiska röken.

Det är en bra vana att ha datasheeten till hands när du läser någon annan tutorial eller studerar någon annans bibliotek. Det är mycket möjligt att du hittar en mer optimal lösning på ditt problem där. Å andra sidan – om det från datasheeten inte går att förstå hur registret fungerar, googla det: troligtvis har någon redan beskrivit det med enkla ord eller lämnat en begriplig kod på GitHub.

Ordbok

Lite användbara ord och beteckningar som hjälper dig att snabbare bekanta dig med datasheets. Det som minns sig från de senaste par dagarna, tillägg och correctioner är välkomna.

Elektricitet
Vcc, Vdd – "plus", strömförsörjning
Vss, Vee – "minus", jord
current – ström
spänning – spänning
för att sänka ström – fungera som "jord" för extern belastning
för att källstraum – försörja extern belastning
hög sänka/källa pin – pin med hög "tolerans" för belastning

IO
H, High – på pin Vcc
L, Low – på pin Vss
Hög impedans, Hi-Z, flytande – på pin finns inget, "hög resistans", den är faktist osynlig för den yttre världen.
svag pull up, svag pull down – inbyggd drag-upp/dra-ned resistor, ungefär 50 kΩ (se datasheet). Används till exempel för att hålla ingångspinnen från att sväva i luften och orsaka falska uppvaknanden. Svag – eftersom den enkelt kan "överskridas".
push pull – utgångsläget av pinnen, där den växlar mellan Hög och Låg – vanlig OUTPUT med Arduino.
öppen dränering – beteckning för utgångsläget där stiftet kan vara antingen Låg, eller Hög impedans / Flytande. Vid detta tillstånd är det nästan alltid inte en "riktig" öppen dränering, det finns skyddsdioder, motstånd och så vidare. Det är bara en beteckning för läget jord/nothing.
riktig öppen dränering – och detta är en riktig öppen dränering: stiftet leder direkt till jord när det är öppet, eller är i svävtillstånd när det är stängt. Detta betyder att spänning högre än Vcc kan passera genom det om det behövs, men maxvärdet anges fortfarande i databladet i avsnittet Absoluta maximala värden / Spänning.

Gränssnitt
i serie – anslutna i serie
till kedja – samla chip i en kedja genom att ansluta dem i serie, vilket ökar antalet utgångar.
shift – skift, vanligtvis betecknar bitförskjutning. Därmed, att skifta in och att skifta ut – ta emot och överföra data bit för bit.
latch – en spärr som täcker bufferten medan bitarna skiftas genom den. När överföringen är avslutad öppnas spärren och bitarna börjar fungera.
att klocka in – utföra bitförskjutning, flytta alla bitar på de nödvändiga platserna.
dubbel buffert, skuggreferens, förladdningsregister – beteckningar för historien när registret måste kunna ta emot nya data, men hålla dem tills en viss tidpunkt. Till exempel, för korrekt drift av PWM bör dess parametrar (cykel, frekvens) inte ändras förrän den aktuella cykeln är avslutad, men nya parametrar kan redan ha överförts. Därmed hålls de aktuella i skuggreferens, medan de nya går till förladdningsregister, skrivs in i motsvarande register på chipet.

Allt möjligt
prescaler – frekvensfördelare
att sätta en bit – sätta biten till 1
att rensa/nollställa en bit – nollställa biten till 0 (återställning – funktion i STM-datablad)

Vad händer härnäst

Det var faktiskt planerat en praktisk del med demonstration av tre projekt på STM32 och STM8, utförda speciellt för denna artikel med hjälp av datablad, med lampor, SPI, tidtagare, PWM och avbrott:

Men texten blir lite för mycket, så projekten går till del två.

Färdigheten att läsa datablad kommer att hjälpa dig med din hobby, men ersätter knappast det faktiska samtalet med kollegor i ditt intresse på forum och chattar. För detta måste du ändå i första hand förbättra engelskan. Därför, till dem som har läst till slut – en specialbelöning: två gratis lektioner i Skyeng vid första betalning med koden HABR2.

Källa: habr.com