AVR माइक्रोकंट्रोलर ROM में डेटा के लिए 32K थ्रेशोल्ड

बैसाखी से बुरा क्या हो सकता है? केवल अधूरे दस्तावेज बैसाखी।

यहाँ 8-बिट AVR माइक्रोकंट्रोलर्स, Atmel Studio 7, C प्रोग्रामिंग भाषा के लिए नवीनतम आधिकारिक एकीकृत विकास वातावरण से एक स्क्रीनशॉट है। जैसा कि आप मान स्तंभ से देख सकते हैं, चर my_array में 0x8089 नंबर है। दूसरे शब्दों में, my_array सरणी 0x8089 पते पर शुरू होने वाली मेमोरी में स्थित है।

उसी समय, टाइप कॉलम हमें कुछ अलग जानकारी देता है: my_array, ROM में स्थित int16_t प्रकार के 4 तत्वों की एक सरणी है (यह रैम के लिए डेटा के विपरीत, शब्द से संकेत मिलता है), पता 0x18089 से शुरू होता है। बंद करो, लेकिन सभी के बाद 0x8089! = 0x18089। सरणी का वास्तविक पता क्या है?

सी भाषा और हार्वर्ड वास्तुकला

8-बिट AVR माइक्रोकंट्रोलर, जो पहले Atmel द्वारा निर्मित है, और अब माइक्रोचिप लोकप्रिय हैं, विशेष रूप से, इस तथ्य के कारण कि वे हार्वर्ड आर्किटेक्चर के अनुसार निर्मित Arduino के आधार हैं, अर्थात, कोड और डेटा अलग-अलग एड्रेस स्पेस में स्थित हैं। आधिकारिक प्रलेखन में दो भाषाओं में कोड उदाहरण हैं: कोडांतरक और सी। पहले, निर्माता ने एक निशुल्क एकीकृत विकास वातावरण की पेशकश की जो केवल कोडांतरक का समर्थन करता है। लेकिन उन लोगों के बारे में जो सी, या यहां तक ​​कि सी ++ में प्रोग्राम करना चाहते हैं? भुगतान किए गए समाधान थे, उदाहरण के लिए, IAR AVR और CodeVisionAVR। व्यक्तिगत रूप से, मैंने इसका कभी उपयोग नहीं किया, क्योंकि जब मैंने 2008 में AVR प्रोग्रामिंग शुरू की थी, तो AVR स्टूडियो 4 के साथ एकीकृत करने की क्षमता के साथ पहले से ही मुफ्त WinAVR था, और यह बस वर्तमान Atmel स्टूडियो 7 में शामिल है।

WinAVR प्रोजेक्ट GNU GCC कंपाइलर पर आधारित है, जो वॉन न्यूमैन आर्किटेक्चर के लिए विकसित किया गया था, जो कोड और डेटा के लिए एक सिंगल एड्रेस स्पेस का अर्थ रखता है। जब AVR के लिए GCC को अपनाया जाता है, तो निम्न बैसाखी को लागू किया जाता था: पते 0 से 0x007fffff कोड (ROM, फ़्लैश), और 0x00800100 के लिए 0x0080ffff डेटा (RAM, SRAM) के लिए आवंटित किए जाते हैं। अन्य प्रकार की अन्य चालें थीं, उदाहरण के लिए, 0x00800000 से 0x008000ff के प्रतिनिधित्व वाले पते जो कि राम के समान opcodes द्वारा एक्सेस किए जा सकते हैं। सिद्धांत रूप में, यदि आप एक साधारण प्रोग्रामर हैं, जैसे नौसिखिया आर्डिनो, और हैकर नहीं, तो एक ही फर्मवेयर में कोडांतरक और C / C ++ को मिलाकर, आपको यह सब जानने की जरूरत नहीं है।

वास्तविक संकलक के अलावा, WinAVR में AVR Libc प्रोजेक्ट के रूप में विभिन्न पुस्तकालय (मानक C पुस्तकालय और AVR- विशिष्ट मॉड्यूल का हिस्सा) शामिल हैं। नवीनतम संस्करण, 2.0.0, लगभग तीन साल पहले जारी किया गया था, और प्रलेखन न केवल परियोजना की साइट पर उपलब्ध है, बल्कि माइक्रोकंट्रोलर निर्माता की साइट पर भी उपलब्ध है। अनौपचारिक रूसी अनुवाद भी हैं।

कोड के पता स्थान में डेटा

कभी-कभी एक माइक्रोकंट्रोलर में आपको न केवल बहुत कुछ डालने की ज़रूरत होती है, बल्कि बहुत अधिक डेटा: इतना है कि वे बस रैम में फिट नहीं होते हैं। इसके अलावा, ये डेटा अपरिवर्तनीय हैं, फर्मवेयर के समय में जाना जाता है। उदाहरण के लिए, एक रेखापुंज चित्र, एक राग या किसी प्रकार की तालिका। इसी समय, कोड अक्सर उपलब्ध रोम के केवल एक छोटे से अंश को लेता है। तो डेटा के लिए शेष स्थान का उपयोग क्यों न करें? आराम से! Avr-libc 2.0.0 प्रलेखन प्रोग्राम स्पेस में 5 डेटा के पूरे अध्याय को कवर करता है। यदि आप लाइनों के बारे में भाग को छोड़ देते हैं, तो सब कुछ बेहद सरल है। एक उदाहरण पर विचार करें। RAM के लिए, हम इस तरह लिखते हैं:

unsigned char array2d[2][3] = {...}; unsigned char element = array2d[i][j]; 

और इस तरह ROM के लिए:

 #include <avr/pgmspace.h> const unsigned char array2d[2][3] PROGMEM = {...}; unsigned char element = pgm_read_byte(&(array2d[i][j])); 

यह इतना सरल है कि RuNet में भी इस तकनीक को बार-बार कवर किया गया है।

तो समस्या क्या है?

यह कथन याद रखें कि 640 KB सभी के लिए पर्याप्त है? याद रखें कि आपने 16-बिट आर्किटेक्चर से 32-बिट और 32-बिट से 64-बिट तक कैसे स्विच किया? विंडोज 98 ने 512 एमबी से अधिक रैम पर अस्थिर रूप से कैसे काम किया जबकि इसे 2 जीबी के लिए डिज़ाइन किया गया था? क्या आपने कभी BIOS को अपडेट किया है ताकि मदरबोर्ड 8 जीबी से बड़े हार्ड ड्राइव के साथ काम करे? 80 जीबी हार्ड ड्राइव पर कूदने वालों को याद रखें, उनकी मात्रा को 32 जीबी तक ट्रिम करें?

जब मैंने ROM में कम से कम 32 KB की एक सरणी बनाने की कोशिश की तो पहली समस्या ने मुझे पीछे छोड़ दिया। ROM में क्यों, और RAM में नहीं? क्योंकि वर्तमान में, 8-बिट एवीआर के साथ 32 केबी से अधिक रैम केवल मौजूद नहीं है। और 256 बी से अधिक के साथ - मौजूद हैं। शायद यही कारण है कि कंपाइलर के रचनाकारों ने रैम में पॉइंटर्स के लिए 16 बी (2 बी) चुना (और उसी प्रकार के इंट के लिए), जिसे अध्याय 11.14 में स्थित डेटा प्रकार के पैराग्राफ को पढ़ने में पाया जा सकता है कि सी कंपाइलर द्वारा क्या रजिस्टरों का उपयोग किया जाता है? AVR Libc प्रलेखन। ओह, और हम हैक करने नहीं जा रहे हैं, लेकिन यहाँ रजिस्टर हैं ... लेकिन वापस सरणी में। यह पता चला कि आप 32,767 B (2 ^ (16 - 1) - 1 B) से बड़ी वस्तु नहीं बना सकते। मुझे नहीं पता कि वस्तु की लंबाई को महत्वपूर्ण क्यों बनाया जाना चाहिए, लेकिन यह एक तथ्य है: कोई वस्तु नहीं, यहां तक ​​कि एक बहुआयामी सरणी, जिसकी लंबाई 32,768 बी या उससे अधिक हो सकती है। 64-बिट OS में 32-बिट अनुप्रयोगों (4 जीबी) के पते की जगह पर एक सीमा जैसा है, है ना?

जहाँ तक मुझे पता है, इस समस्या का कोई हल नहीं है। यदि आप ROM में 32,768 की लंबाई के साथ एक ऑब्जेक्ट रखना चाहते हैं, तो इसे छोटी वस्तुओं में तोड़ दें।

हम फिर से पैराग्राफ की ओर मुड़ते हैं डेटा प्रकार: पॉइंटर्स 16 बिट्स हैं। हम प्रोग्राम स्पेस में डेटा के अध्याय 5 में इस ज्ञान को लागू करते हैं। नहीं, सिद्धांत अपरिहार्य है, अभ्यास की आवश्यकता है। मैंने एक परीक्षण कार्यक्रम लिखा, एक डिबगर (दुर्भाग्य से, सॉफ़्टवेयर, हार्डवेयर नहीं) लॉन्च किया और देखा कि pgm_read_byte फ़ंक्शन केवल डेटा वापस करने pgm_read_byte सक्षम है, जिसके पते 16 बिट्स (64 KB; धन्यवाद, 15 नहीं) में फिट होते हैं। तब अतिप्रवाह होता है, पुराने हिस्से को छोड़ दिया जाता है। यह तर्कसंगत है, यह देखते हुए कि संकेत 16-बिट हैं। लेकिन दो सवाल उठते हैं: यह अध्याय 5 में क्यों नहीं लिखा गया है (एक बयानबाजी का सवाल है, लेकिन यह वह था जिसने मुझे इस लेख को लिखने के लिए प्रेरित किया) और कोडांतरक पर स्विच किए बिना 64 केबी रोम की सीमा को कैसे पार किया जाए।

सौभाग्य से, अध्याय 5 के अलावा, एक और 25.18 pgmspace.h फ़ाइल संदर्भ है, जिसमें से हम सीखते हैं कि pgm_read_* फ़ंक्शंस का परिवार pgm_read_*_near लिए केवल एक pgm_read_*_near , जो 16-बिट पतों को स्वीकार करता है, और वहाँ भी pgm_read_*_far , और आप सबमिट कर सकते हैं। 32-बिट पता यूरेका!

हम कोड लिखते हैं:

 unsigned char element = pgm_read_byte_far(&(array2d[i][j])); 

यह संकलित करता है, लेकिन काम नहीं करता है जैसा हम चाहते हैं (यदि array2d 32 KB के बाद स्थित है)। क्यों? हां, क्योंकि & ऑपरेशन हस्ताक्षरित 16-बिट संख्या देता है! यह मजेदार है कि परिवार के pgm_read_*_near अहस्ताक्षरित 16-बिट पते स्वीकार करता है, अर्थात, यह 64 KB डेटा के साथ काम कर सकता है, & ऑपरेशन केवल 32 KB के लिए उपयोगी है।

चलो आगे बढ़ते हैं। pgm_read_* अलावा pgmspace.h में हमारे पास क्या है? pgm_get_far_address(var) फ़ंक्शन, जिसमें पहले से ही विवरण का आधा पृष्ठ है, और & ऑपरेशन को प्रतिस्थापित करता है।

शायद सही:

 unsigned char element = pgm_read_byte_far(pgm_get_far_address(array2d[i][j])); 

संकलन त्रुटि। हम विवरण पढ़ते हैं: 'var' को मौजूदा प्रतीक के रूप में लिंक करने के समय पर हल करना होगा, अर्थात, एक साधारण प्रकार चर नाम, एक सरणी नाम (सरणी का अनुक्रमित तत्व नहीं, यदि सूचकांक निरंतर है तो संकलक शिकायत नहीं करता है लेकिन यदि अनुकूलन सक्षम है तो पता पाने में विफल रहता है), एक संरचनात्मक नाम या एक संरचनात्मक क्षेत्र का नाम, एक फ़ंक्शन पहचानकर्ता, एक लिंकर परिभाषित प्रवर्तक, ...

हम एक और बैसाखी डालते हैं: हम सरणी सूचकांकों से सूचक अंकगणित तक जाते हैं:

 unsigned char element = pgm_read_byte_far(pgm_get_far_address(array2d) + i*3*sizeof(unsigned char) + j*sizeof(unsigned char)); 

अब सब कुछ काम करता है।

निष्कर्ष

यदि आप GCC कंपाइलर का उपयोग करके 8-बिट AVR माइक्रोकंट्रोलर के लिए C / C ++ में लिखते हैं और ROM में डेटा को स्टोर करते हैं:

• 32 केबी से अधिक नहीं के रॉम आकार के साथ, आप केवल प्रोग्राम स्पेस में अध्याय 5 डेटा पढ़कर समस्याओं में नहीं चलेंगे;
• 32 केबी से बड़े रोम के लिए, आपको pgm_read_*_far फ़ंक्शंस के pgm_get_far_address , pgm_get_far_address फ़ंक्शन का उपयोग करना चाहिए & सरणी सूचकांकों के बजाय सूचक अंकगणितीय, और किसी भी ऑब्जेक्ट का आकार 32,767 B से अधिक नहीं हो सकता है

संदर्भ

• माइक्रोचिप - AVR माइक्रोकंट्रोलर निर्माता और IDE Atmel स्टूडियो डेवलपर
• AVR Libc होम पेज
• AVR। प्रशिक्षण पाठ्यक्रम। C प्रोग्रामिंग। मेमोरी, एड्रेस और पॉइंटर्स के साथ काम करें - DI HALT ने सिद्धांत में बड़े पते का उल्लेख नहीं किया है, लेकिन कहीं-कहीं टिप्पणियों में वे pgm_get_far_address बारे में pgm_get_far_address , लेकिन नमूना टूट गया था