Přednáška 1 A4B38NVS - Návrh vestavěných systémů 2015, kat. měření, ČVUT - FEL, Praha. J. Fischer. Grafický podkladový materiál k přednášce A4B38NVS

Přednáška 1 A4B38NVS - Návrh vestavěných systémů

2015, kat. měření, ČVUT - FEL, Praha J. Fischer Grafický podkladový materiál k přednášce A4B38NVS Studium tohoto materiálu nenahrazuje účast na přednášce, která mimo jiné obsahuje výklad k prezentaci i další vysvětlení a výklad u tabule.

A4B38NVS, 2015, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL

1

Představení, kontakty

Jan Fischer , kat. měření, míst. 441/1 blok B3, přednáška středa 12:45 C3 - 52, konzultace středa od 14.15 v C3-52, (příp. domluva na další termín) cvičení od 16.15, 18.00 kat. měření, míst. 326 blok B3 kontakty s vyučujícími E- mail, posílat pouze ze své Fakultní E- mail adresy


2

Oblasti vestavných systémů Vestavný systém – co to představuje? „embedded system“, embedded microcontroller Systém s mikrokontrolérem je „zabudován“ přímo v zařízení a je s ním v přímé interakci Zařízení s vestavným systémem (embedded) – dnes prakticky všechny přístroje kolem nás Doma – televizor, video, CD přehrávač, moderní radiopřijímač, mobilní telefon, fotoaparát, “kamera“, moderní („advanced“) hodinky myčka nádobí, pračka, (nová) lednička, GPS, „lepší“ holicí strojek, baterka - čelovka , Elektronické hračky el. hry, autíčka, pohyblivé hračky, panenky „s interakcí“, Automobil – více 10, ale spíše 40+ vestav. mikrokontrolérů (řízení motoru, ABS, AES, nastavování mechanických dílů- sedačka, el. stahování oken, komunikace, zabudovaný radiopřijímač, navigace, řízení klimatizace,.. Dům – výtah, klimatizace, zabezpečovací a kamerový systém, přístupový systém, protipožární systém, řízení topení a klimatizace, síťové komunikační prvky pro Ethernet – switche, routery, A4B38NVS, 2015, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL

3

Oblasti vestavných systémů Obchod – prodejní terminál na jízdenky, potraviny, elektronické váhy, mrazicí boxy, elektronické cenovky (segmentový LCD zobrazovač + přenost dat), automat na kávu,.. Dopravní prostředky – obecně - vlak, letadlo, Malé (domácí) lékařské přístroje – osobní váha, glukometr,měřič tlaku, měřič tepu, krokoměr Velké lékařské přístroje – v nemocnicích – např. na operačním sále – řízení ventilace, sledování tlaku, dýchání,….- viz. filmy Komunikační technika – malé vysílačky (osobní, policejní, armáda, záchranné sbory) Existuje též pojem „deeply emebeded“ – poněkud zjednodušeně řečeno „systém je tak hluboce vestavěn, že si to uživatel ani neuvědomí“


4

Oblasti vestavných systémů Existují aplikace mikrokontrolérů a signálových procesorů přímo v řízení pulsního napájecího zdroje – řízení spínání tranzistorů, regulace napětí, příklad ST32F334 (s jádrem ARM Cortex M4) mikrokontrolér pro zářivku, „úspornou“ žárovku – lighting Nářadí – momentový klíč ( s el. indikací – tenzometr +indikace), el. vrtačka,.. baterka Nabíječka akumulátorků („inteligentní“) – měření napětí, generace nabíjecích proudových impulsů, měření a zobrazení velikosti dodaného náboje, testovací funkce. ……


5

Příklady Další folie (7 -32) obsahují snímky přístrojů a zařízení embedded aplikací, z kapacitních a formálních důvodů nejsou uvedeny v PDF. Slouží pouze pro přednášku.


6

Příklady vestavných systémů .Nike – Fuelband snímání a vyhodnocení pohybové aktivity za časový úsek Mikrokontrolér, MEMS akcelerometr, bezdrátový přenos dat, paměť (pozn.- návrh čipu pro řízení LED – kde?)


7

Příklady vestavných systémů . Futurocube – český výrobek !!! www.futurocube.com www.princip.cz/projekty/kostka popis sestavy, funkce MEMS, mikrokontroléry (7 kusů), bezdrátový přenos, buzení LED, generace zvuku- řeč komentář ….


8

Příklady vestavných systémů .

Bosch kávovar mikrokontrolér –STM32


9

Příklady vestavných systémů . Petzl – horolezecká čelovka („high end“) mikrokontrolér, akceleromer, optický senzor, řízení výkonu podle odraženého světla, náklonu, případně pohybu hlavy,…


10

Příklady vestavných systémů .

Fit bit – analýza pohybu osoby a spotřebované energie – ( jako „krokoměr“) mikrokontrolér, akcelerometr, bezdrátový přenos do mobilu http://www.fitbit.com/


11

Příklady vestavných systémů . Sony SmartWatch MN2, Mikrokontrolér STM32F429, Grafika, bezdrát. komunikace s mobilem, vibrace,..


12

Příklady vestavných systémů .„Robotická koule“ Gosphero Mikrokontrolér, akcelerometr, bezdrátový přenos dat z (do) mobilu akční člen, bezdrátové indukční nabíjení ovládání pohybu koule z mobilu, koule jako snímač pohybu- ovládač (myš) akcelerometr, http://www.gosphero.com/


13

Příklady vestavných systémů HAPIfork – vidlička, mikrokontrolér, akcelerometr, bezdrátový přenos, logování dat, vibrace, blikání počítání soust a intervalu mezi sousty,.. upozornění – („měl jsi již moc jídla“) zpracování dat za den, .na trhu od 9/2013, za 99 USD HAPItrack sledování pohybu osoby http://www.hapilabs.com/


14

Příklady vestavných systémů Příklady použití mikrokontrolérů jiných firem … žiletkový holicí strojek, baterka .


15

Palubní deska Octavia .


16

Palubní deska - přední strana spoje - LED .


17

Palubní deska - indikační LED skrytem .


18

Palubní deska - prosvětlovací folie před LED .


19

Palubní deska deska – zadní strana .

konektor. rozhr. CAN

krystal pro RTC (hodiny)

otočné indikátory

zvuk. sig. zesilovač


procesor

20

Palubní deska- krokový motorek - stav paliva .

krokový motorek


21

Řídicí jednotka Diesel, Octavia 2 řada .


22

Deska říd. jed.

řídicí procesor

pam. prog. NOR Flash

.

budiče akč. členů


23

BCM – Body Control Modul .

výkonová relé

procesor


24

Parkovací asistent- ultrazvuk .


25

Parkovací asistent- ultrazvuk .

řídicí procesor


26

Blok ovládání naklápění reflektorů - Fabia .


27

Blok ovládání naklápění reflektorů - Fabia .

řídicí procesor

výkonové stupně

ovládací výstupy A4B38NVS, 2015, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL

kom. rozhr. CAN 28

Deska komunikace s Bluetooth SRAM

(NOR) Flash

.

anténa (procesor)


29

Multifunkční volant - Octavia .


30


opt. snímač enkodéru

kontakty tlačítek


31


mikrořadič Infineon TLE 9832 jádro ´51


32

Základní bloky vestavného systému Obecně – vestavný systém v zařízení obsahuje • • • • • • • •

mikrokontrolér . ovládací prvky pro komunikaci s obsluhou (tlačítka, křížový ovládač, klávesnice - nyní často kapacitní) indikace ( LED,..) zobrazovač – LED, LCD senzory ( teplota, tlak, světlo, MEMS – zrychlení - náklon komunikační rozhraní (sériové rozhraní – UART, USB, Ethernet, CAN, LIN, bezdrátová komunikace- blue tooth ) ovládání akčních členů (výkonové tranzistory – bipolární, FET, IGBT, relé, tyristory) akční členy (motorky – stejnosměrné - DC, krokové motorky - stepper, BLDC – brush less DC, asynchronní střídavé motory pračka,..


33

Náplň předmětu A4B38NVS - přednášky •

HW návrh vestavěných systémů, komponenty a jejich využití, procesor jako součástka

•

Logické obvody a jejich vlastnosti z hlediska spolupráce s mikrořad. (odběr, typové řady, rychlost z hlediska spolupráce s mikroprocesorem, spolupráce rychlých logických obvodů, vedení, odrazy, zemnění, rozvody napájení, blokování).

•

Bloky komunikace s obsluhou (tlačítka, klávesnice, LED a LCD zobrazovače)

•

Mikrořadiče (Microcontroller) pro vestavěné systémy

•

Obvody a periferie na čipu mikrořadičů (vstupy, výstupy, rozhraní SPI, I2C, I2S, USART převodníky A/D, převodníky D/A),

•

Vnější periferie a jejich připojování (připojení vnějších řadičů – Ethernet,..)

•

Vnější paměťové obvody a jejich připojování k mikroprocesoru

•

Dohlížecí obvody a monitorovací obvody pro zajištění spolehlivé funkce vestavěného systému.

•

Napájení – síťové napájení, bateriové napájení vestavěných systémů, stabilizace napájení


34

Náplň předmětu A4B38NVS - cvičení •

Seznámení s IDE Keil pro ARM, pro STM32F100

•

Konfigurace výstupních bran STM32F100, ovládání výstupů a LED,

•

Generování impulsního signálu, čtení tlačítka

•

Časovací jednotka (schodišťový automat)

•

Ovládací jednotka se 7- seg. LED, ovládání posuvného registru 74HCT595, (1. hodnocená úloha) + zpráva

•

Sériová komunikace, využití UART, komunikace s RS232, zobrazení dat na LCD a PC (terminál) (2. hodnocená úloha) + zpráva

•

Samostatný projekt: Návrh systému pro sběr dat a monitorování 3._hodnocená úloha, studie k projektu, návrh a realizace, závěrečná zpráva),

•

Logické obvody CMOS- stat. parametry a jejich určení (skup. 2 stud.)

•

Logické obvody CMOS – dyn. parametry a jejich určení , buzení obvodu procesorem STM32, generování signálu o dané frekvenci (skup. 2 st.)

Test v semestru – 9. týden společný termín - na přednášce


35

Náplň předmětu A4B38NVS – použitý procesor V rámci cvičení – použit procesor (microcontroller) STM32F100 Výrobce- STMicroelectronics WWW,ST.COM/STM32 Založen na jádře ARM Cortex- M3 WWW.ARM.COM www.arm.com/products/processors/cortex-m/cortex-m3.php Vývojové kity firmy ST Microelectronics ST32F xx Discovery,

Programové vývojové nástroje IDE firmy Keil, demonstrační verze – omezení na velikost kódu - 32 kByte. Volně získatelná z http://www.keil.com/ ,konkrétně http://www2.keil.com/mdk5/ ( ??!!! vyplňování formuláře), on line instalace Nebo v laboratoři nakopírovat starší demoverze verze IDE Keil Microvision Version 4, pro cvičení zcela postačují (možnost instalace off line – bez registrace)


36

STM32VLDiscovery kit – používaný na cvičení STM32F100RB microcontroller, 32-bit ARM Cortex-M3 core 128 KB Flash, 8 KB RAM 64-pin LQFP STlink ( v1) STM32F103 – pouzdro 48 pinů, horní -

ladicí procesor

STM32F100 – pouzdro 64 pinů, dolní aplikační (uživatelský) procesor propojení procesorů ladicím rozhraním SWD ze zabudovaného ladicího nástroje ST- LInk („horní procesor“ STM32F103“)


37

STM32F0Discovery kit STM32F051R8T6 microcontroller 32-bit ARM Cortex-M0 core 64 KB Flash, 8 KB RAM STlink / V2 + prototypová deska


38

STM32LDiscovery kit STM32L152RBT6 microcontroller ARM CORTEX - M3 core pouzdro LQFP64 128 KB Flash, 16 KB RAM, 4 KB EEPROM LCD malé segmenty kapacitní klávesnice STlink / V2


39

STM32F3Discovery kit STM32F303VCT6 microcontroller 32-bit ARM Cortex-M4F core (podpora floating. poit. arit.) 256 KB Flash, 48 KB RAM LQFP100 package STlink / V2


40

STM32F4Discovery kit STM32F407VGT6 microcontroller 32-bit ARM Cortex-M4F core, (podpora floating. poit. arit.) 1 MB Flash, 192 KB RAM LQFP100 package STlink / V2


41

Discovery kity, možnost pořízení, použitelnost Na cvičení jsou používány kity STM32VL Discovery, se starší verzí ladicího rozhraní ST-link (problém funkce pod Linux,…) ! STLink1 (všechny ostatní Discovery kity ST Link 2 nebo ST Link 2-1, pod Linux jde) Pro pořízení vlastního kitu a další práci, vhodnější volit novější varianty STM32L100 Discovery (piny – header jednořadý do pole – po 1 řadě) ale procesor STM32L100 – poněkud jiné konfigurace oscilátoru a bran STM Nucleo F103, procesor STM32F103 kompatibilní s F100 ( lepší,větší paměť,..) STM32F4 Discovery,.. ( problém přímé připojení do pole – header dvouřadý), STM32F3 Nucleo,… Případně konzultovat na cvičení např. na dobírku přes http://www.rothsware.cz/web/farnell/ dle objednacího čísla z www.farnell.com Použitelnost STM32F Discovery kitů – i pro ladění jiného procesoru řady STM32 ve vlastní aplikaci.


42

Cvičení – poznámky Ladění – „boot loader“, nebo pomocí SWD z kitu STM32VL Discovery Zapůjčení modulů STM32VLDiscovery, příp. i kont. pole na celý semestr Potřebné vybavení napájení + 5V (např. z USB), příp. multimetr UNI-10A (zapůjčení multimetru ?) Minimum potřebného vybavení – PC s USB a nainstalovaným SW Keil, mini USB kabel Vhodný doplněk - převodník USB na RS232 (dostupné např. v NC computers za 160 - 220 Kč, www.nc.cz, využitelné i pro práci s jinými mikroprocesory pro vestavěné systémy – pro funkci Boot Loader) kit STM32VL Discovery- obsahuje ladicí nástroj ST link kity: STM32F0Discovery, STM3Discovery, STM32F4Discovery, STM32LDiscovery – obsahuje ladicí nástroj STlink/V2 (novější) Možnost využití pro ext. ladění ladění jiného kusu procesoru STM32 Možno osadit – zapájet minimodul s STM32F031F6P6 a využít jej v projektu (Pro vážné zájemce – možnost exkurse do vývojového centra STMiroelectronics v Praze - ? listopad/ prosinec)


43

Lab. cvičení předmětu A4B38NVS – použité IDE Programové vývojové nástroje IDE firmy Keil, vhodné a nutné pro domácí přípravu na lab. cvičení.

Demonstrační verze – omezení na velikost kódu - 32 kByte. Volně získatelná z http://www.keil.com/ ,konkrétně http://www2.keil.com/mdk5/ ( ??!!! vyplňování formuláře), on line instalace Nebo v laboratoři nakopírovat starší demoverze verze IDE Keil Microvision Version 4, pro cvičení zcela postačují (možnost instalace off line)

Možno používat i jiné nástroje, problém syntaxe zápisu instrukcí ARM Corterx – M3


44

Hodnocení Účast na cvičeních povinná 2 x hodnocená úloha (5 + 5 b) – při odevzdání v zadaném termínu., Studie 5 + samostatný projekt 10 + 5 závěrečná zpráva Zprávy - je nutno řešit i nebodované úlohy + zpráva Samostatná práce studentů, uvedení případných informačních zdrojů), plagiátorství – ne !!! Domácí příprava – studium zadání, příprava programů, vývojový diagram, schéma V laboratoři – odladění úlohy, využití přístrojového vybavení Dřívější dokončení a odevzdání poslední úlohy a zpráv, možnost dojít až pro zápočet Test v semestru (přibl. 9. týden) středa od 12.45 v přednáškové místnosti


45

ARM - historie ARM - RISC procesory původ – britská firma Acorn, procesory - stolní počítače později vývoj vlastního procesoru ARM1 v r. 1985, ARM1 - 25 000 tranzistorů, 3 um technologie 4 MHz hod. sig. ARM2 ARM 3 Založena nová firma - Advaced RISC Machines Ltd. (majet. účast Apple, Acorn a VLSI) změna názvu architektury z „Acorn RISC Machine“ na „Advaced RISC Machine“ ARM 6 , procesor ARM610 pro PDA (Personal Digital Assistent) firmy Apple ARM7 v r. 1993, používán v PDA PSION firmy Acorn ARM7 TDMI doplnění ladicí rozhraní (D,I debug. interface) rozšířené možnosti násobičky (M) Thumb instrukční sada (T) - navíc 16- bitové instrukce ARM7 TDMI – nejlépe prodávaný procesor (jádro) u ARM ARM – orientace na přenosná zařízení, mobilní telefony,… rozvoj A4B38NVS, 2015, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL

46

ARM - historie ARM7 TDMI – architektura ARM v 4T (pozor, trochu se plete) ARM7TDMI používán i ve formě „microcontroller“ – jednočipový mikropočítač firma Philips (nyní navazující NXP) LPC 2105 procesor ARM7TDI, paměti Flash, RAM, periferie, řadič přerušení – vlastní varianta další firmy využívající ARM7TDMI: ATMEL, STMicroelectronics, Texas Instruments, Analog Devices,,…. u ARM7TDMI – v jádře - pouze dvě přerušení, firmy- vlastní implementace řadiče přerušení chybí dobrá podpora a spolupráce - řadič přerušení - jádro Firma ARM – úprava architektury pro potřeby „embedded“ microcontrolérů Architektura ARM v7M Cortex , (M značí microcontroller) doplněn NVIC Nested Vectored Interrupt Controller ARM - Cortex M3 - architektura ARM v7M, náš procesor na cvičeních Architektura ARM v4T – ovlivnila ARM v7M, , (občas bude na ni odkaz při vysvětlování instrukcí) Heslo ISA – „instruction set architecture“ architektura mající danou sadu instrukcí - obecnější pojem - poněkud širší rozsah míněných procesorů A4B38NVS, 2015, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL

47

ARM ARM - RISC procesory (pojem RISC) ARM7TDMI 32- bitový procesor, data 32 bitová, (tedy registry 32 bitů) adresa 32 bitů, adresní prostor 232 = 4 GByte ARM instrukční kód konstantní délky 32 bitů v těchto 32 bitech uložen: kód vlastní instrukce, případně - registr, přímá data, adresa architektura – typu „Load, Store“ v instrukci jeden přenos dat mezi CPU a pamětí – není operace typu „read“, „modify“, „write“ ? jak řešit do 32 bitů kód i adresu přímé adresování relativně s omezeným rozsahem adresování registrem v jedné instrukci – pouze jedna operace s pamětí aritmetické a logické operace pouze s registrem


48

Pojem Word u ISA ARM ARM je 32-bit architektura. V pojmy word, halfword použité v souvislosti s ARM: Word – míní se 32 bitů (čtyři bajty) Halfword míní se 16 bitů (dva bajty) Byte míní se 8 bits (jeden bajt)

Většina ARM implementuje dvě instrukční sady 32- bit ARM Instruction Set – instrukce kódována word 16- bit Thumb Instruction Set – instrukce kódována halfword ARM CORTEX – M3 instrukční sada Thumb – 2 (jedna společná sada – „dohromady“ 16- i 32- bitové instrukce) (obsahuje Thumb a některé ARM)


49

ARM7 TDMI, instrukce ARM a THUMB ARM7TDMI instrukční sada ARM - 32 bitů instrukční sada THUMB – 16 bitů (úsporný kód, větší omezení na přímá data či adresy) procesory ARM: 16 – bitové instrukce Thumb 32 – bitové instrukce ARM Přepínání v programu, jaká sada instrukcí se používá, procesor běží: v módu ARM (vykonává instrukce ARM 32 - bitové) v módu THUM (vykonává instrukce THUMB 16 - bitové) Instrukce ARM a THUMB není možno „míchat“, Přechod do THUMB - skok na adresu, kde nejnižší bit adresy je A0=1 (kód instrukce je 16- bitový, tak reálná adresa má A0 =0, ale právě požadavek skoku na adresu s A0=1 signalizuje požadavek na skok s přepnutím do režimu THUMB ) používají se instrukce skoku BX Rn , kde registr Rn obsahuje požadovanou adresu s příslušně nastaveným bitem D0 = 0, nebo D0=1 odpovídajícím adresovému bitu A0


50

Cortex family – použit podkladový materiál firmy ARM Cortex-A8

Cortex-R4

Cortex-M3

Architecture v7A MMU AXI VFP & NEON support

Architecture v7R MPU (optional) AXI

Architecture v7M MPU (optional) AHB Lite & APB

Dual Issue


51

Jádro ARM Cortex – M3 Firma ARM - nevyrábí vlastní procesory, pouze návrh jádra, Jádro v rámci licencí využívá mnoho výrobců (ST, NXP, TI, Atmel,..) ARM Cortex- M3 - definováno: vlastní jádro CPU řadič přerušení rozložení v adresním prostoru (kde je SRAM interní, externí, kde vnitřní sběrnice spolupráce s rozhraním pro ladění (debug) JTAG, SWD Výrobci individuálně doplňují paměti a různé periferie přístupné v daném adresním prostoru více na www.arm.com A4B38NVS, 2015, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL

52

Jádro ARM Cortex – M3 literatura Volně dostupné materiály: Sadasivan S.:An Introduction to the ARM Cortex-M3 Processor (www.ARM.com) DUI 0552A_Cortex - M3 devices generic user Guide (www.ARM.com) DDI 0337E Cortex -M3 Revision: r1p1 Technical Reference Manual (www.ARM.com) DDI 0403 ARM v7-M Architecture Reference Manual (www.ARM.com dostupný po zaregistrování) (podrobný popis architektury ARMv7M do které spadá i ARM Cortex M3)


53

Procesor STM32F100x - literatura Volně dostupné materiály: katalogový listk STM32F100x: STM32F100x4 STM32F100x6,STM32F100x8 STM32F100xB – (Doc ID 16455 Rev 5) podrobný referenční manuál: RM0041 Reference manual STM32F100xx advanced ARM-based 32-bit MCUs (www.st.com)


54

Literatura- firemní - Hitex

The Insider’s Guide To The STM32 ARM®Based Microcontroller An Engineer’s Introduction To The STM32 Series www.hitex.com a na www stránkách předmětu • Velmi zkrácený přehled architektury ARM Cortex M3 z hlediska, implemetace do STM32F1xx • Přehledný zkrácený popis periferií STM32F1xx • Doporučeno pro získání prvního přehledu k použití periferiíSTM32, následně detailní studium referenčního manuálu k STM32, • Insiders Guide - dobrý proto to, zjistit, co se má vlastně hledat v dalších podrobných manuálech


55

Literatura- knihy •

Joseph Yiu: The Definitive Guide to the ARM Cortex-M3 2. vydání (lepší 1.)

•

Vincent Mahout: Assembly Language Programming: ARM Cortex-M3

•

Yifeng Zhu: Embedded Systems with ARM Cortex-M3 Microcontrollers in Assembly Language and C (??? Nové 8/2014)


56

Jádro ARM Cortex M3 - Registry R0 – R12 obecné registry Dolní registry (low reg.) R0 – R7 přístupné všemi instrukcemi s přístupem k registrům. Horní registry (high reg.) R8 – R12 přístup pouze 32 bitovými instrukcemi s přístupem k registrům


57

Registry R13 až R15 Stack pointer Registr R13 -Stack Pointer (SP) ukazatel zásobníku. R13 – dvě formy: hlavní SP (SP main) procesní SR (SP_process) R14 - Link register Registr R14 je užíván při volání podprogramů (subroutine Link Register - LR). Do LR se uloží návratová adresa z PC při instrukci při vykonání instrukcí Branch an Link (BL) or Branch and Link with Exchange (BLX). (návratová adresa není automaticky ukládána procesorem do zásobníku, pro vnoření podprogramů- uživat. progr. musí sám uložit obsah LD do zásobníku) LR je využit také při návratu z obsluhy výjimky (exception return). R14 – možno obsluhovat jako obecný registr Programový čítač (Program counter - PC) registr R15 Bit 0 adresy instrukce je vždy =0; instrukce jsou zarovnány na hranice slova 4 Byte nebo poloviční slova -2 Byte (pozor bit 0 při skoku nast. na 1, viz dále) Stavový reg. programu (Program Status Register xPSR) stavových registr příznaků (Flags) A4B38NVS, 2015, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL

58

Příznakový registr -

1 indikuje aktivní stav N negativní nebo menší než Z -Zero Nula C Carry/ Borrow – výpůjčka V přetečení overflow Q sticky saturation (při aritmetice se saturací)


59

Adresový prostor ARM Cortex – M3 -


60

Instrukční sada THUMB-2 v návaznosti na instrukce ARM ARM Cortex-M3 - instrukční sada Thumb -2 Instrukce Thumb (16- bitové) jsou doplněny 32- bitovými instrukcemi sada označená jako Thumb - 2, ARM Cortex M3 – používá sadu Thumb – 2 bez přepínání, je tedy stále v režimu Thumb a případný pokus o přepnutí do režimu instrukcí ARM (32 – bitových) vyvolá chybu, proto musí být u Cortex – M3 při požadavku skoku vždy nejnižší bit adresy A0= 1, na kterou se skáče 16 – bitové instrukce Thumb – omezené možnosti – např. ve vzdálenosti adresy pro skok,…. možnost Unified Assembler Language (UAL) – společná syntaxe pro ARM a Thumb instrukce. Kód psaný s použitím UAL může být přeložen do ARM nebo Thumb instrukcí - to volí překladač- optimalizace na délku kódu.


61

Zápis programu pro Assembler ARM pole návěští, zcela vlevo – (nesmí tam být instrukce, ta je až v dalším poli – za mezerami), • pole instrukce, • pole operandu ( příp. operandů), • pole komentáře za středníkem NAVESTI MOV R0, R1 ; kopie R1 do R0, R0 = R1 Instrukce presunu: MOV instr. přesunu mezi reg., příp. přímá data do reg. ← (zprava doleva) MOV R0, #1 instr. přesunu přímých dat (omezená velikost) nezapomenout na # LDR instr. čtení z paměti do registru ← (zprava doleva) STR instr. zápisu z registru do paměti → (zleva doprava !!!) •

Pseudo instruce LDR

R0, =0x200

(„vím co chci a ty to přelož, jak to půjde nejlépe“) podle velikosti konst. překladač přeloží jako přesun LDR z pam. do reg. a sám uloží konst. do pevné paměti Code, nebo přeloží jedinou instrukcí MOV obsahující data- viz disassembler, i s využitím Barrel shifter (přímá konst. a bitové posuny ) viz heslo “Flexible Second Operand” A4B38NVS, 2015, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL

62

Popis instrukci použitých v programu LED_BLIK: Instrukce presunu: MOV MOV LDR LDR STR PUSH POP

R0, R1 ; kopie R1 do R0, R0 = R1 R0, #1 ; kopie 1 do R0, R0 = 1 R0, =0x200 ; pseudo instrukce kopie 0x200 do R0, R0 = 0x200 R1, [R0] ; do R1 nacteni hodn. z adresy urcene registrem R0 R1, [R0] ; kopie hodnoty z R1 do pameti na adresu podle obs. R0 {R0,LR} ; ulozeni hodnoty v R0 a LR do zasobniku {R0,PC} ; vyzvednuti hodnoty ze zasobniku do PC a R0

Instrukce skoku: B BL BX BEQ

NAVESTI NAVESTI LR NAVESTI

BNE

; skok na adresu, kde je uvedeno navesti NAVESTI ; skok NAVESTI a ulozeni navratove adresy do LR ; skok na adresu umistenou v registru LR ; skok na NAVESTI podle vysledku predchozi instrukce, ; tj. skok pri vysledku rovno nula NAVESTI ; skok na NAVESTI podle vysledku predchozi instrukce, ; tj. skok pri vysledku nerovno nula


63

Popis instrukci použitých v programu LED_BLIK: Instrukce aritmeticke: SUB R0, R1, #1

; R0 = R1 – 1 odecte 1 od obsahu R1 a vysledek do R0 ; bez nastaveni priznaku podle vysledku

SUBS R0, R1, #1

; R0 = R1 - 1 a nastaveni registru priznaku (PSR)

Instrukce logicke: BIC R1, R1, R2 ORR R1, R1, R2

; R1 = R1 & (/R2) - logicky soucin s R1 a negovanym R2 ; R1 = R1 | R2 - logicky soucet R1 s R2, vysledek do R1

Instrukce porovnani: CMP R0,#1 TST R0,#1

; R0 - 1 a nastaveni priznaku, ale hodnota v R0 se nezmeni ; komparace- porovnání velikosti ; R0 & 1 a nastaveni priznaku, ale hodnota v R0 se nezmeni ; testování testuje stav bitů v R1 na místech jednickami ; urcenych jednickami v pravem levem operandu ; zde se testuje, zda je na nejnizsim miste v R0 bit =1


64

STM32F100 – blokové schéma, struktura mikrořadiče

JTAG/SW JTAG/SWDebug Debug Nested Nestedvect vectIT ITCtrl Ctrl

11xxSystick SystickTimer Timer 11xxDMA DMA 77Channels Channels

FlashI/F I/F Flash

Cortex-M3 Cortex-M3 CPU CPU 24 24 MHz MHz ARMLite LiteHi-Speed Hi-SpeedBus Bus ARM Matrix / Arbiter (max 24MHz) Matrix / Arbiter (max 24MHz)

CPU procesorové jádro ARM Cortex- M3 a systém sběrnic dle licence firmy ARM

16-128kB 16-128kB Flash FlashMemory Memory

XTAL XTALoscillators oscillators 32KHz 32KHz++3~25MHz 3~25MHz 4kB-8kB 4kB-8kBSRAM SRAM

20B 20BBackup BackupRegs Regs

Clock ClockControl Control

Bridge Bridge Bridge Bridge

1x 1xSPI SPI 1x 1xUSART/LIN USART/LIN Smartcard/IrDa Smartcard/IrDa Modem-Ctrl Modem-Ctrl


(max 24MHz)

Up Upto to80 80I/Os I/Os

ARM Peripheral Bus

Synchronized SynchronizedAC ACTimer Timer

Up Upto to16 16Ext. Ext.ITs ITs

Int. Int.RC RCoscillators oscillators 40KHz 40KHz++8MHz 8MHz PLL PLL

RTC RTC//AWU AWU 2x 2xWatchdog Watchdog

CRC CRC

1x6x 1x6x16-bit 16-bitPWM PWM

Power PowerSupply Supply Reg Reg1.8V 1.8V POR/PDR/PVD POR/PDR/PVD

ARM Peripheral Bus (max 24MHz)

(independent (independent&&window) window)

33xx16-bit 16-bitTimer Timer

1x16-bit 1x16-bittimer timerwith with22 IC/OC/PWM IC/OC/PWM

HDMI HDMICEC CEC

2x16-bit 2x16-bittimer timereach each with 1 IC/OC/PWM with 1 IC/OC/PWM

2x 2xSPI SPI

22xx12bit 12bitDAC DAC 1x 1x12-bit 12-bitADC ADC 16 channels 16 channels// 850ksps 850ksps Temp TempSensor Sensor

2x 2xUSART/LIN USART/LIN Smartcard Smartcard//IrDa IrDa Modem ModemControl Control 2x 2xI2C I2C

65

V/V brány v STM32 Standardní vstupně - výstupní brány (není + 5 V tolerantní) na vstupu smí být napětí do úrovně Udd

Odhad chování pinu ( ne + 5V tolerantního) brány STM32F100x na základě podoby s chování standardních vstupů CMOS např. 74HC04 Diskuse, možné důsledky nevhodného zapojení, důsledky - cvičení měření statických vlastností logických obvodů CMOS A4B38NVS, 2015, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL

66

Výstupy typu Push – pull, open drain, Výstup typu „push – pull“

UDD

sepnut vždy jeden z tranzistorů (T1 nebo T2) – výstup se připíná k zemi GND nebo k napájení UDD

T2

PMOS

T1

NMOS

T1

NMOS

Výstup typu „open drain“ Výstup se připíná k k zemi GND na výstupu je nízká úroveň Low ( T1 sepnut), nebo nedefinovaná (tranz. rozepnut)

Výstup typu „open drain“ s vnějším„pull up“ rezistorem RPU Pokud je T1 rozepnut, napětí na výstupu je určeno napětím UDD pomocí RPU


UDD T1

RPU out

67

Vstupy Vstupy – plovoucí – bez připojeného vnějšího signálu – problém stavu pull up rezistor – bez signálu definuje vysokou úroveň pull down rezistor – bez signálu definuje nízkou úroveň Alternativní funkce – logický signál je veden na perieferie na čipu (např. do řadičů rozhraní UART, SPI,….) Analogový vstup – vstup převodníku A/D ( analogo - číslicový)


68

STM32F100 IO brány vstup brány + 5 V tolerantní RM0041 str. 102


69

Tlačítko a LED na STM32VL Discovery Tlačítko – v klidu rozepnuté, na PA0 se čte L díky působení „Pull down“ rezistoru R21 stisk – čte se 1 , viz manuál UM0919 (Obvykle se tlačítka připojují proti zemi (GND), zde je opačné zapojení pro možnost demonstrace funkce „ probuzení“ procesoru z režimu spánku – „Wake – Up“.)


70

Konfigurace brány STM32F100x Po reset – jsou V/V brány neaktivní (i při zápisu dat do výstupního registru brány se na výstupu nic neprojeví) Nejdříve - aktivace hodinového signálu pro výstupní bránu (viz demo příklad na cvičení – použití brány PC) LDR R0, =RCC_APB2ENR ; Kopie adresy RCC_APB2ENR (APB2 peripheral clock enable register) do R0 LDR R1, [R0] ; Nacteni stavu registru RCC_APB2ENR do R1 LDR R2, =0x10 ; Konstanta pro zapnuti hodin pro branu C ORR R1, R1, R2 ; Maskovani, pridani jednicky 0001 000 na bit D4 STR R1, [R0] ; Ulozeni nove hodnoty do registru RCC_APB2ENR (pouze nastavení bitu D4 v RCC_APB2ENR na 1)

Následně – nutnost konfigurace každého používaného pinu V/V brány zápisem do konfiguračního registru Zápis dat do výstupního registru brány se projeví na výstupu pouze u pinů konfigurovaných jako výstupy. (Poznámka: pokud výstupní nebo vstupní pin, či další perierie, nereagují na zápis dat, je třeba zkontrolovat, zda je přiveden hodinový signál a pin je správně konfigurován!!!) A4B38NVS, 2015, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL

71

Umístění registrů str. 36 RM0041 umístění konf. reg. v adresním prostoru bázová adresa PA 0x4001 0800 bázová adresa PC 0x4001 1000


72

Registry V/V bran .


73

Vstupně – výstupní brána - registry Vstupně – výstupní brány jsou 16 – bitové pro použití se musí nejdříve nakonfigurovat řídicí registr - 4 bity na konfiguraci jednoho bitu brány (celkem 16 x 4 = 64 bitů) rozděleno do dvou řídicích CR (controll register) 32- bitových registrů CR – L pro dolních 8 bitů – pinů brány CR – H pro horních 8 bitů – pinů brány Výst. dat. reg. ODR (output data reg.) dolních 16 bitů – prostý zápis dat do brány Vstup. dat. reg. IDR (input data register) dolních 16 bitů prosté čtení dat z brány Registr bit set /reset BSRR 32 bitů, zápis „1“ do horních 16 bitů „setuje“ – dává do 1, zápis „1“ dolních 16 bitů resetuje – dává do 0 Registr reset BRR dolních 16 bitů, zápis „1“ dolních 16 bitů resetuje – dává do 0 Registr LCKR – zablokování ( lock) stavu


74

Konfigurace bitů 7 až 0 (dolní Byte) - low


75

Konfigurace bitů 15 až 8 ( horní Byte) - high


76

Konfigurace RM0041 str. 103 4 bity pro konfiguraci jednoho bitu brány shodný způsob: STM32F103 STM32F105, 107 pouze odlišné adresy (další procesory STM32F050, STM32F407,.. odlišná konf. A4B38NVS, 2015, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL

77

Datový registr výstupní brány Output data register – výstupní datový registr, 32 bitový, význam má pouze spodních 16 bitů pro 16- bitovou bránu

Vhodné


78

Port bit set / reset – „překlopení“ stavu pinu Nastavování jednotlivých bitů brány, zápis 1 do bitů 31 až 16 nastavuje přísl. bit do 0 (BR bit reset) , zápis 1 do bitů 15 až 0 nastavuje bit do 1 (BS–bit set) („úder zprava, úder zleva“) (zápis 0 – výstupní bit se neovlivní -0 - „žádný úder“)


79

Reset výstupního pinu brány Zápis 1 do bitů 15 až 0 nastavuje přísl. bit do 0 (RESET), ( 1 nuluje, 0 nedělá nic) zápis 0 do registru neaktivní – neovlivní stav výstupu

Vhodné


80

Vstupní brána Pro čtení tlačítka na PA0 (IDR input data register – vstupní datový registr)

Vhodné


81

Určení adresy registru Potřeba znát základní adresu (bázová adr.) periferie (brány) –z Tab. 1 na str. 36 offset pro příslušný registr z Tab. 48 (str. 129) zákl. adr. pro GPIOC 0x4001 1000 zákl. adr. pro GPIOA 0x4001 0800 kontrol. reg. pro GPIOx_CRL pro bity 7 až 0 má offset 0x00 kontrol. reg. pro GPIPx_CRH pro bity 15 až 8 má offset 0x04 vstup. dat. reg. GPIOx_IDR offset 0x08 výst. dat. reg GPIOx_ODR offset 0x0C kontr. reg bit set/ reset GPIOx_BSR offset 0x10 kontr. reg. bit reset GPIOx_BRR offset 0x14 0x40011000 GPIOC + offset 0x04 = 0x40011004 0x40011004 GPIOC_CRH (konfigurace PC15 až PC8) výstupní registr brány PC + offset pro GPIOx_ODR 0x40011000 GPIOC + offset 0x0C = 0x4001100C 0x4001100C GPIOC_ODR výstupní registr pro PC 0x400110808 GPIOA_IDR registr vstupní brány PA A4B38NVS, 2015, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL

82

Používané adresy 0x4001 1004 GPIOC_CRH konfigurace PC15 až PC8 0x4001 100C GPIOC_ODR výstupní registr pro PC 0x400110808 GPIOA_IDR registr vstupní brány PA


83

Poznámky k použitým instrukcím BIC R1, R1, R2 ; Nulovani bitu v R1 bit clear nuluje bity v R1 tam, kde jsou v R2 bity v 1, jako R1 and (not R2) BX

LR skok na adresu podle registru, zde podle LR, který obsahuje návrat. adr., která se do LR uložila při minulém volání podprogramu ORR R1, R1, R2 logická operace R1 or R2, výsledek do R1 LDR R1, [R0] STR R1, [R0]

do R1 načíst obsah podle adresy v R0 uložit R1 na adresu podle R0

TST R1, #0x20000 provede virtuálně log. součin R1 a operandu #0x20000 a podle výsledku nastaví příznaky ( flagy), zde se testuje stav bitu D16 zda je ve stavu 1 BEQ NO_HSE_RDY skok na navesti NO_HSE_RDY, když je příznak Z (zero) aktivní, zde když výsledek před. instrukce nastavil Z, tedy bit D16 byl v nule


84

Poznámky k použitým instrukcím SUBS R3, R3, #1 od registru R3 odecte 1 a nastaví příznaky BNE WAIT skoc, když priznak Z=0, tedy vysledek odecteni nebyl nulovy PUSH {LR}

uloz obsah LR do zasobniku

POP BX

nacti ze zasobniku do LR skoc podle LR

{LR} LR

(bylo by mozne jednoduseji provest POP {PC} , naplnit PC ( program. citac) primo navratovou adr. ze zasobniku)


85

Přednáška 1 A4B38NVS - Návrh vestavěných systémů 2015, kat. měření, ČVUT - FEL, Praha. J. Fischer. Grafický podkladový materiál k přednášce A4B38NVS

Recommend Documents