👲🏾 🏊 🧟 प्रोग्रामिंग आधुनिक माइक्रोकंट्रोलर: व्याख्यान 1 ⛵️ 🥚 👩🏾‍🤝‍👨🏼

STM32 और RIOT ऑपरेटिंग सिस्टम के उदाहरण का उपयोग करके आधुनिक माइक्रोकंट्रोलर प्रोग्रामिंग पर पहले व्याख्यान का सारांश। एमआईआरईए इंस्टीट्यूट ऑफ इंफॉर्मेशन टेक्नोलॉजी में शनिवार को 12:50 से बिल्डिंग डी की 4 वीं मंजिल पर स्थित ऑडिटोरियम में व्याख्यान दिया जाता है। कक्षाएं व्याख्यान के लिए 1.5 घंटे और सैमसंग अकादमी की IoT प्रयोगशाला में व्यावहारिक कक्षाओं को 3 घंटे का समय देती हैं।

नमस्कार Giktayms! जैसा कि हमने वादा किया था, हम व्याख्यान नोट्स प्रकाशित करना शुरू कर रहे हैं जो एमआईआरईए आईटी संस्थान में वितरित किए जा रहे हैं। पहले परिचयात्मक व्याख्यान के परिणामों के अनुसार, हमने पाठ्यक्रम की संरचना को थोड़ा बदलने का फैसला किया - 5 पाठों की नियोजित दो धाराओं के बजाय, 7 पाठों के लिए एक धारा होगी। इससे कई सहायक प्रश्नों को अधिक आराम से हल करना संभव होगा, साथ ही साथ सार लेख मार्च और अप्रैल भर में हर हफ्ते जीटी पर दिखाई देंगे, और एक सप्ताह में नहीं, जैसा कि पहले योजना बनाई गई थी।

फिर भी, सात व्याख्यानों में इस तरह के एक व्यापक विषय को पूरी तरह से कवर करना असंभव है, इसलिए प्रस्तुति कुछ स्थानों पर थीसिस होगी - हालांकि इसके लिए क्षतिपूर्ति करने के लिए, हम यह इंगित करने का प्रयास करेंगे कि कौन सी दिशा उन लोगों को स्वतंत्र रूप से गहराई से जांचना चाहती है जो इस या उस मुद्दे को देखेंगे।

पाठ्यक्रम दूसरे और तीसरे वर्ष के छात्रों के लिए डिज़ाइन किया गया है जो सी भाषा और इलेक्ट्रॉनिक्स और इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग की बुनियादी अवधारणाओं से परिचित हैं। माइक्रोकंट्रोलर्स के साथ पूर्व परिचित की आवश्यकता नहीं है।

पाठ्यक्रम का उद्देश्य कौशल का विकास है जो आपको आधुनिक स्तर पर एआरएम कॉर्टेक्स-एम कोर पर माइक्रोकंट्रोलर्स के साथ स्वतंत्र रूप से काम करने की अनुमति देता है और, अगर ऐसी इच्छा है, तो अपने ज्ञान को और गहरा करने की दिशा में आगे बढ़ें।

आज का व्याख्यान पहला है, इसलिए यह सामान्य अवधारणाओं को समझेगा: सामान्य रूप से एक माइक्रोकंट्रोलर क्या है और इसकी आवश्यकता क्यों है, फर्मवेयर क्या है और इसे कैसे प्राप्त किया जाता है, हमें ऑपरेटिंग सिस्टम की आवश्यकता क्यों है, और आखिरकार, गिट के साथ कैसे काम करना है। इस पाठ का परिणाम ओएस स्रोत कोड के साथ-साथ स्थानीय कंप्यूटर पर सफलतापूर्वक कॉन्फ़िगर किया गया बिल्ड वातावरण के साथ आपका अपना GitHub रिपॉजिटरी है।

माइक्रोकंट्रोलर

संक्षेप में, माइक्रोकंट्रोलर एक "चिप पर सिस्टम" का एक उत्कृष्ट उदाहरण है, जिसमें प्रोसेसर कोर और सहायक और परिधीय उपकरणों का एक सेट शामिल है, जो कई मामलों में माइक्रोकंट्रोलर को पूरी तरह से आत्मनिर्भर होने की अनुमति देता है।

एक विशिष्ट माइक्रोप्रोसेसर में, जो किसी भी पीसी या स्मार्टफोन पर होता है, के समान, लगभग सभी मॉड्यूल जिन्हें सहायक (पावर, क्लॉकिंग, यहां तक कि बुनियादी परिधीय उपकरणों) के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है, इस तथ्य के बावजूद कि माइक्रोप्रोसेसर उनके बिना काम करता है नहीं कर सकता।

माइक्रोकंट्रोलर में, इसके विपरीत, कोर के साथ एक ही चिप पर, न केवल इसके संचालन के लिए आवश्यक सबसिस्टम को लागू किया जाता है, बल्कि विभिन्न व्यावहारिक कार्यों में आवश्यक परिधीय उपकरणों का द्रव्यमान भी हो सकता है। इसके अलावा, कई माइक्रोकंट्रोलर निर्माता मुख्य प्रदर्शन या मेमोरी क्षमता में नहीं, बल्कि परिधीय उपकरणों के बहुतायत और कार्यों में एक दूसरे के साथ प्रतिस्पर्धा करते हैं।

माइक्रोकंट्रोलर काफी समय से माइक्रोप्रोसेसरों के समानांतर विकसित हो रहे हैं - उदाहरण के लिए, औद्योगिक उत्पादों में पाए जाने वाले इंटेल 8051 आर्किटेक्चर को 1980 में विकसित किया गया था। कुछ बिंदुओं पर, उनके विकास की रेखाएँ माइक्रोप्रोसेसरों के साथ प्रतिच्छेद करने लगती हैं - उदाहरण के लिए, माइक्रोकंट्रोलर्स के पुराने मॉडलों में बाहरी रैम के लिए इंटरफेस होता है, और माइक्रोप्रोसेसर के निर्माता चिप पर अधिक से अधिक परिधीय उपकरणों को एकीकृत करते हैं (यह याद रखने के लिए पर्याप्त है कि "पर्सनल कंप्यूटर" के बाहरी कैश भी डायल किया गया था) microcircuits) - लेकिन किसी भी मामले में, वे विकास की दो महत्वपूर्ण शाखाएं हैं।

दरअसल, माइक्रोकंट्रोलर बनाने का लक्ष्य कुछ छोटे कंप्यूटिंग पावर की आवश्यकता वाले विभिन्न उपकरणों की लागत और लघुकरण को कम करना था: एकल चिप का उपयोग, जिसके लिए यह अपने ऑपरेशन के लिए बिजली की आपूर्ति करने के लिए पर्याप्त है, 4-5 अलग-अलग चिप्स के सेट की तुलना में मुद्रित सर्किट बोर्ड के डिजाइन और निर्माण को काफी सरल करता है। ।

बेशक, माइक्रोकंट्रोलर की अपनी सीमाएं हैं - एक चिप में पैक करना तकनीकी रूप से असंभव है जो कि एक बड़े पीसी में आधे नहीं बल्कि बड़े बोर्ड में होता है।

ऑपरेटिंग आवृत्ति शायद ही कभी 200 मेगाहर्ट्ज से अधिक होती है, और अधिक बार मेगाहर्ट्ज़ के दसियों के क्षेत्र में होती है।
रैम की मात्रा मेगाबाइट के भीतर है, और अधिक बार दसियों किलोबाइट के क्षेत्र में।
प्रोग्राम मेमोरी की मात्रा मेगाबाइट के भीतर है, और अधिक बार दसियों से सैकड़ों किलोबाइट के क्षेत्र में।

पाठ्यक्रम के भाग के रूप में, हम STM32L151CC माइक्रोकंट्रोलर्स के साथ काम करेंगे, जिसमें 32 KB रैम, 256 KB रोम और अधिकतम मेगाहर्ट्ज की अधिकतम ऑपरेटिंग आवृत्ति (थोड़ा अधिक गंभीर चिप्स Nucleo-L152x बोर्ड पर हैं - 80 KB RAM और 512 KB रोम)।

स्मृति

सामान्य तौर पर, एक माइक्रोकंट्रोलर के अंदर चार प्रकार की मेमोरी हो सकती है:

स्थायी मेमोरी (फ्लैश मेमोरी) का उपयोग उपयोगकर्ता कार्यक्रमों और कभी-कभी, माइक्रोकंट्रोलर की कुछ सेटिंग्स को स्टोर करने के लिए किया जाता है। यदि, माइक्रोकंट्रोलर की विशेषताओं को निर्दिष्ट करते समय, वे निर्दिष्ट किए बिना मेमोरी की मात्रा लिखते हैं - जो एक नियम के रूप में, यह फ्लैश के बारे में है। फ्लैश की सामग्री को रीसेट नहीं किया जाता है जब बिजली विफल हो जाती है, तो सामान्य परिस्थितियों में इसमें जानकारी का भंडारण अवधि आमतौर पर कम से कम 10 वर्ष है।
RAM का उपयोग उपयोगकर्ता प्रोग्राम को निष्पादित करने और "क्षणिक" डेटा को स्टोर करने के लिए किया जाता है। जब आप रिबूट या पावर बंद करते हैं, तो रैम हमेशा रीसेट हो जाती है और जब आप कुछ स्लीप मोड में प्रवेश करते हैं तो भी उसे बचाया नहीं जा सकता है। माइक्रोकंट्रोलर्स में, प्रोग्राम मेमोरी और डेटा मेमोरी के बीच अक्सर कोई स्पष्ट अलगाव नहीं होता है - परिणामस्वरूप, "RAM से निष्पादन" शब्द पाया जा सकता है, जिसका अर्थ है कि रैम में केवल डेटा ही नहीं हैं, बल्कि प्रोग्राम भी हैं; हालाँकि, ये काफी विदेशी मामले हैं।
EEPROM । यह रीड-ओनली मेमोरी को भी संदर्भित करता है, लेकिन इसकी विशेषताओं में फ्लैश मेमोरी से काफी भिन्न होता है। फ्लैश में दो बड़ी कमियां हैं जो प्रोग्राम के कुछ वर्तमान डेटा को बचाने के लिए बहुत असुविधाजनक बनाती हैं - सबसे पहले, फ्लैश में एक ही सेल के ओवरराइट्स की एक सीमित संख्या होती है, और दूसरी बात, यह संभव है कि फ्लैश के साथ पूरे पृष्ठों में ही काम किया जाए, जो आकार में सैकड़ों बाइट्स हैं, भले ही आपको सिर्फ एक बाइट को अधिलेखित करने की आवश्यकता हो। EEPROM में ये कमियां नहीं हैं - इसकी सेवा का जीवन आमतौर पर दस गुना अधिक (100 हजार से 1 मिलियन ओवरराइट्स) है, और प्रत्येक बाइट के साथ व्यक्तिगत रूप से इसमें काम करना संभव है। इस कारण से, EEPROM का उपयोग प्रोग्राम द्वारा उत्पन्न डेटा को स्थायी रूप से संग्रहीत करने के लिए किया जाता है (माप अभिलेखागार, प्रोग्राम सेटिंग्स, आदि), इसकी विशिष्ट मात्रा किलोबाइट की इकाइयां है, लेकिन यह सभी नियंत्रकों में नहीं है।
सिस्टम मेमोरी केवल पढ़ने के लिए मेमोरी के क्षेत्र, रिकॉर्डिंग के लिए उपयोगकर्ता के लिए दुर्गम, लेकिन माइक्रोकंट्रोलर के उत्पादन में दर्ज किया गया। आमतौर पर वे बूटलोडर निष्पादन योग्य कोड (इसके बारे में नीचे) होते हैं, लेकिन परिधीय उपकरणों के साथ काम करने के लिए कुछ अंशांकन स्थिरांक, सीरियल नंबर, या सहायक पुस्तकालय भी संग्रहीत किए जा सकते हैं

आप किसी विशिष्ट नियंत्रक की मेमोरी संगठन को उसके डेटाशीट में देख सकते हैं। यहाँ, उदाहरण के लिए, STM32L151CC पर एक डेटाशीट है , जिसके पृष्ठ 51 पर इस परिवार का मेमोरी कार्ड प्रस्तुत किया गया है।

यह नोटिस करना आसान है कि सभी चार प्रकार की मेमोरी, जिनके बारे में हमने बात की है, कार्ड के एक बहुत छोटे टुकड़े पर कब्जा कर लेते हैं - और अधिकांश चित्र पर नियंत्रक में उपलब्ध सभी परिधीय उपकरणों की एक सूची है।

रजिस्टरों

तथ्य यह है कि सब कुछ - सामान्य रूप से - माइक्रोकंट्रोलर के सभी परिधीय उपकरणों के साथ संचार और इसकी सभी सेटिंग्स का उपयोग दो दो चरणों का उपयोग करके किया जाता है:

दिए गए पते पर मूल्य पढ़ें
दिए गए पते पर मान लिखें

सब कुछ जो माइक्रोकंट्रोलर के अंदर है, जरूरी है कि कुछ पते पर मैप किया जाए। इन पतों को रजिस्टर्स कहा जाता है (प्रोसेसर रजिस्टरों के साथ भ्रमित न करें - प्रोसेसर के रजिस्टरों में डेटा होता है, जिस पर प्रोसेसर ऑपरेशन करता है, हम जिस रजिस्टर के बारे में बात कर रहे हैं, उसमें कुछ विशेष डेटा होते हैं, जो विशेष रूप से माइक्रोकंट्रोलर की विभिन्न हार्डवेयर इकाइयों के राज्य में मैप होते हैं)।

इसलिए, उदाहरण के लिए, यदि हम चाहते हैं कि "1" माइक्रोकंट्रोलर (पीए 2, पोर्टिंग के तीसरे चरण में दिखाई दे, तो खरोंच से है), तो हमें 0x4002014 पर स्थित रजिस्टर के तीसरे बिट में "1" लिखना होगा। और अगर यह पैर एक इनपुट के रूप में कॉन्फ़िगर किया गया है और, इसके विपरीत, हम यह पता लगाना चाहते हैं कि इस पर क्या मूल्य है, हमें 0x40020010 पते पर रजिस्टर के तीसरे बिट को पढ़ने की आवश्यकता है।

हां, नियंत्रक को इंगित करने के लिए यह पैर इनपुट या आउटपुट है - आपको 0x40020000 पते पर संबंधित बिट्स को संबंधित मान लिखने की आवश्यकता है।

यह माइक्रोकंट्रोलर के संचालन को समझने में एक महत्वपूर्ण बिंदु है: बिल्कुल वह सब कुछ जो कम्प्यूटेशनल संचालन नहीं है, जिसके लिए प्रोसेसर कोर स्वयं जिम्मेदार है, यह या उस रजिस्टर को लिखने या पढ़ने के द्वारा किया जाता है। ऊपर से आपके कार्यक्रम में जो भी पुस्तकालयों को रौंदा जाता है - अंत में, यह सब रजिस्टरों के लिए नीचे आता है।

बेशक, संख्यात्मक पते के साथ काम करना असुविधाजनक है, इसलिए कॉर्टेक्स-एम कोर पर प्रत्येक माइक्रोकंट्रोलर के लिए सीएमएसआईएस लाइब्रेरी (कोर्टेक्स माइक्रोकंट्रोलर सॉफ्टवेयर इंटरफ़ेस स्टैंडर्ड) है, हमारे लिए सबसे महत्वपूर्ण घटक एक हेडर फ़ाइल है जो एक विशेष नियंत्रक में उपलब्ध रजिस्टरों का वर्णन करता है और उन्हें अपेक्षाकृत मानव-पठनीय बनाता है। नाम।

CMSIS का उपयोग करते हुए, पीए पैर के साथ ऊपर वर्णित ऑपरेशन इस तरह दिखाई देंगे:

int pin_num = 2; /* PA2*/
GPIOA->MODER &= ~(0b11 << (pin_num*2)); /*     PA2    */
GPIOA->MODER |= 0b01 << (pin_num*2); /*     PA2  01 —  */
GPIOA->ODR |= 1 << pin_num; /*   PA2  1 */

GPIOA->MODER &= ~(0b11 << (pin_num*2)); /*     PA2,    */
uint32_t pa2_value = GPIOA->IDR & (1 << pin_num); /*    PA2 */

, — Reference Manual (, , , RM0038, STM32L1). , 900 RM0038 — , 1500-2000 . -, , — .

, — . , , «» .

, , — , - ( 1 , , , 1 , , ), .

STM32 Standard Peripherals Library, StdPeriphLib, SPL. , ST LL, — , LibOpenCM3. , STM32 .

, SPL , , , GPIO_Init GPIO_Write.

, , SPL — .

, SPL «» , , STM32 CubeMX. (, , ) STM32.

, , « , - » — « , ». SPL, , , , SPL , — SPL , . , .

, , , - , , , STM32L1 ATSAMD21 , SPL, .

SPL — , , , SPL.

, SPL — «» . , :

. , (RTC), — - , ( ) (, ), . -, .
. , . Arduino loop() , . loop() , , . ( , ).
. , , — , : -, , , . - — , , , , . , API.

— — .

, ( 5-20 ), , 70 % .

, , SPL. RIOT OS, STM32 — SPL .

: , , , , SPL . , SPL , , STM32, , .

, :

— , ;
— , , : , , ;
— .

, RIOT OS - (IDE) — , , IDE, (, , Arduino IDE — ; , , ).

, , , , « , , ».

, , Arduino IDE, IDE, — .

, RIOT OS , : HAL cpu ( , , AVR PIC32), — boards, — drivers, — core, — sys, — examples.

, — , ( ) , , , , . — , , .

https://github.com/unwireddevices/RIOT/tree/mirea — RIOT OS, Unwired Devices STM32L1, , , , .

Github, «Clone/Download» «Download ZIP», . GitHub, «Fork» — , .

GitHub Git — , .

, , - , «Hello world» :

#include <stdio.h>
int main(void)
{
    puts("Hello World!");
    printf("You are running RIOT on a(n) %s board.\n", RIOT_BOARD);
    printf("This board features a(n) %s MCU.\n", RIOT_MCU);
    return 0;
}

example/hello-world main.c ( ).

, , , . - .

1. Windows 8 . , MinGW, . . , Git/GitHub Git for Windows, MinGW. MinGW, MinGW .

, Windows 7 Windows 8, , .

2. Windows 10. Microsoft Store, Ubuntu . Ubuntu Windows, « Windows», « Windows Linux» .

Ubuntu, , MinGW.

(: 64- Linux!), Ubuntu, :

cd /opt
sudo tar xf /mnt/c/Users/vasya/Downloads/gcc-arm-none-eabi-7-2017-q4-major-linux.tar.bz2
export PATH=/opt/gcc-arm-none-eabi-7-2017-q4-major/bin/:$PATH
export PATH=/opt/gcc-arm-none-eabi-7-2017-q4-major/arm-none-eabi/bin/:$PATH
echo "export PATH=/opt/gcc-arm-none-eabi-7-2017-q4-major/bin/:\$PATH" >> ~/.bashrc
echo "export PATH=/opt/gcc-arm-none-eabi-7-2017-q4-major/arm-none-eabi/bin/:\$PATH" >> ~/.bashrc

.bashrc, Ubuntu. $ >> — , ( ) .bashrc.

arm-none-eabi-gcc --version , , — 7.2.1 ( ).

Git ssh-keygen, ( Ubuntu Windows cat ~/.ssh/id_rsa.pub, Enter — ) GitHub. GitHub git.

NB: Linux, : , Tab ( cd /opt/gcc- cd /opt/gcc-arm-none-eabi-7-2017-q4-major). , — , . , Tab .

NB: Windows , , Windows, Documents/git/RIOT. - MinGW /c/Users/vasya/Documents/git/RIOT, - Ubuntu — /mnt/c/Users/vasya/Documents/git/RIOT. , , , Windows, Notepad++.

3. Linux. Windows 10, , Microsoft Store . gcc-arm-none-eabi — .

, RIOT examples/hello-world, make.

, , unzip ( Windows 10 ), make . Windows 10 ( ):

sudo apt-get install unzip make

make — , «make clean && make»: , . , - , — , .

NB: RIOT hello-world native, , , x86. unwd-range-l1-r3, stm32,

Building application "mirea" for "unwd-range-l1-r3" with MCU "stm32l1".

- , make — . mirea.elf ( - ).

- :

, , , , , .

, GPIO, — , , — , .

P.S. — 360- ( : « » , , - ):

प्रोग्रामिंग आधुनिक माइक्रोकंट्रोलर: व्याख्यान 1

माइक्रोकंट्रोलर

स्मृति

रजिस्टरों

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