A3B38MMP Mikroprocesory v přístrojové technice

Transkript

1 A3B38MMP Mikroprocesory v přístrojové technice

2 Předmět místo, termíny A3B38MMP, katedra měření, ČVUT FEL Vyučující: přednášky: doc. Ing. Jan Fischer, CSc., úterý hod. míst. 205 cvičení: Ing. Ján Tomlain, (míst. S152) čtvrtek hod., čt. 16,15 hod. lab. A3-326 lab. zamčena, - čekat na cvičení na hlavní chodbě před vstupem do A3, 3.p. Cvičení jsou povinná, příprava na cvičení A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 2

3 Předmět - náplň A3B38MMP Mikroprocesory v přístrojové technice Mikroprocesory a mikrořadiče vestavěné (embedded) do přístrojů Mikroprocesory a mikrořadiče, orientace na jádro ARM Cortex M3 (zkráceně jádro CM-3) CM 3. programování obvody pro mikroprocesory v přístrojích návrh obvodu a struktury jednoduchých přístrojů s up. A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 3

4 Kontakty, konzultace Konzultace (pouze interaktivní osobní komunikace je nejefektivnější díky zpětné vazbě) na FEL vždy v úterý od hod v 205 příp. telefonicky Konzultace slouží k ujasnění problematiky přednášek a cvičení A3B38MMP (není náhradou účasti na přednášce, ani neslouží pro podporu řešení soukromých projektů) Další možné termíny konzultací (pouze po předchozí dohodě) - čtvrtek od hod v A3-326, případně (v nouzi) další individuální termíny Konzultace - pouze ve výukovém období, (ne v období zkoušek) Jan Fischer, kat. měření kancelář: B3-441a tel , labor. videomet. A3-315 tel E- mail pro domluvu termínů, upozornění, FISCHER()FEL.CVUT.CZ (E- mail o víkendu nedostupný) pro komunikaci používat pouze svou studentskou E- mail adresu uziv_jméno@fel.cvut.cz (ostatní je spam) do předmětu uvést A3B38MMP priorita čtení A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 4

5 Aktivní účast na cvičeních, odevzdání úloh podle plánu, samostatná práce (ne plagiátorství!!!) Průběžná domácí příprava na cvičení-!!! Kit STM32LDiscovery k dispozici pro domácí práci Zápočet v zápočtovém týdnu, ve zkouškovém období není možný přístup do laboratoře, náhradní termín max. konec. 2. týdne. zk. Test v 9. týdnu na přednášce Úlohy až 39 bodů, test. v sem. 21 bodů, testy u zkoušky 20b + 20b. Doporučení: domácí použití IDE Keil, Microvision, příprava programů ihned od 1. týdne, V laboratoři - odladění HW a konzultace, Předčasné odevzdání úloh, možno přijít až pro zápočet A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 5

6 Přístrojová technika - přístroj Přístroj: spotřební elektronika, automatizace, měřicí technika, prodejní automaty Mikroprocesorem řízený přístroj Mikroprocesor vestavěný v přístroji či zařízení? kolik máte doma mikroprocesorů?? kolik máte v autě mikroprocesorů? A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 6

7 up ve spotřební a domácí elektronice. Největší spotřeba mikroprocesorů, resp. mikrokontrolérů spolu s automobilovým průmyslem. Přístroj - ve spotřební elektronice: mobilní telefon, PDA, dig.fotoaparát, kamera, CD + MP3 přehrávač, televizor, DVD přehrávač, činnosti: vstup - výstup signálu, digitalizace, komprese, ukládání, přenos tzv. Bílá elektronika myčka, lednička, mraznička, pračka, mikrovlnná trouba, mixér, vysavač činnosti: ovládací vstupy, snímání ( teplota, hladina, průtok,..) akční členy - ovládání motoru, solenoidových ventilů, komunikace s obsluhou Osvětlení - řízení zářivky - zabudovaný mikrořadič A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 7

8 Měřicí technika Přístroje: Multimetr, osciloskop, logický analyzátor, měřič impedance, generátor, reflektometr na měření metalických a optických tras Osciloskop - zcela jiná konstrukce oproti původnímu osciloskopu - výkonný počítač + rychlé převodníky A/D, zobrazení na LCD Spektrální analyzátor - digitalizace signálu + Fourier. transformace, metody číslicového zpracování signálu Elektroměr - digitalizace u, i, W = výpočet odebrané energie, vzorkování, digitalizace, výpočet dálkové ovládání - HDO ( noční proud ) komunikace, ovládání relé p( t) u( t) i( t) W t2 t1 u( t) i( t)dt W n 1 u k i k A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 8

9 up řízený přístroj - domovní automatizace Domovní automatizace Regulace, regulátor teploty, řízení klimatizace Regulátor topení - snímání teploty v místnostech, venkovní teploty, rychlosti větru, ovládání kotle,... Rozpočítávací měřič tepla - na radiátoru ústředního topení Automatizace - regulace, regulátor teploty, řízení klimatizace Ovládání světel, komunikace - standard D.A.L.I. Dálkové ovládání vrat - garáže - ( komunikace, kódy, akční členy, bezpečnost osob - snímání přítomnosti osob a síly zavírání ) Zabezpečovací technika Přístupové systémy - čtečky karet, klávesnice, komunikace Zabezpečovací systémy- snímače pohybu, zvuku - např. tříštění skla, optické závory, komunikace, signalizace, přenos dat SMS,? přenos redukovaného obrazu (studijní obor na ČVUT -FEL: Inteligentní budovy. A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 9

10 up řízený přístroj - prodej, služby Prodejní automaty - na potraviny, ( snímač mincí, zobrazení, akční členy..) Stojan benzinové pumpy ( snímač - průtokoměr, komunikace, zobrazení, čtečka karet). Automatické váhy ( supermarket) snímač síly - tenzometry, zobrazení, komunikace- přeprogramování ceny, tisk Prodejní automat jízdenek ( MHD, ČD,..) Přenosná čtečka karet - (restaurace) - klávesnice, zobrazení, bezdrátová komunikace, tisk. Přístupové systémy - vstupenky, lanovky, vleky čtečka - optická, RFID,.., komunikace, akční členy - otevírání závory Hrací automaty: ( sem patří!!! bohužel i tzv. výherní -hrací automaty - vstup, snímání množství mincí v zásobníku, generace pseudonáhodných čísel, ovládání akčních členů, programovatelný stupeň výhry automatu). A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 10

11 up - automobilní elektronika - automotive Automobilní elektronika - palubní přístroje: (řízení motoru- vstřikování,.. řízení brzd ABS, AES, palubní počítač, tempomat,..) Sběr dat: teploty (olej, voda,..), tlak, klepání motoru,spaliny,.. Doplňkové funkce - řízení stěračů, nastavování polohy volantu, sedaček, stahování oken ( snímání proudu - bezpečnost) Regulace - zadání žádané hodnoty, snímání polohy, ovládání motorků, snímání proudu motorku, řízení klimatizace Naklápění reflektorů- up + výkon. budič + krokový motorek Ovládání zábavní elektroniky - rozhlas. přijímač, přehrávač, navigace Komunikace: rozhraní CAN - základní komunikač. rozhraní - (systémová, zábavní) rozhraní LIN - periferie - ovládání motorků v oknech,.. nově - rozhraní Flex ray - např. přímé ovládání brzd A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 11

12 Asistenční funkce Parkovací asistent vyhodnocení signálu senzorů, stav okolí, řízení Vyhodnocení polohy vozidla vzhledem k ostatním vozidlům a překážkám s využitím snímačů ( radar, ultrazvuk, kamera,) vzdálenost, mrtvý úhel Kamery sledování vodorovného značení čáry ( také Octavia, Fabia) Kamery couvací kamera, panoramatický obraz syntéza obrazů ze 4 kamer Rozpoznávání chování řidiče, kamera + rozpoznávání dopravních značek, rozpoznávaní polohy vozidla na vozovce vzhledem k vodorovnému dopravnímu značení Doplňkové funkce - řízení stěračů, nastavování polohy volantu, sedaček, stahování oken (snímání proudu - bezpečnost), ovládání střešního okna Odemykání a zabezpečovací systém RFID, komunikace, (viz. příklad klika- přijímací anténa RFID, kapacitní snímače, mikrořadič, komunikace A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 12

13 Palubní deska kombi přístroj Octavia (?VW). A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 13

14 Palubní deska - přední strana spoje - LED. A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 14

15 Palubní deska - indikační LED skrytem. A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 15

16 Palubní deska - prosvětlovací folie před LED. A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 16

17 Palubní deska zadní strana. krystal pro RTC (hodiny) konektor. rozhr. CAN otočné indikátory krok. mot. zvuk. sig. zesilovač procesor A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 17

18 . krokový motorek A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 18

19 Palubní deska - bloky Mikrořadič komunikace- CAN výstupy_ LED, LCD, zvuk, otočná indikace s krokovým motorkem (rychlost, otáčky, palivo, teplota) blok reálného času hodiny regulátor napájecího napětí (z palubní sítě + 12,6 V) A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 19

20 Říd. jednotka Diesel, Octavia 2. řada. A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 20

21 Říd. jednotka Diesel, Octavia 2. řada. řídicí procesor pam. prog. NOR Flash budiče akč. členů A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 21

22 Shrnutí- říd. jednotka diesel. motoru Mikrořadič komunikace- CAN vstupy. analogové vstupy motor, výstupy výkonové výstupy pro ovládání elektromagnetických akčních členů (vstřik paliva,.) regulátor napájecího napětí (z palubní sítě + 12,6 V) A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 22

23 BCM Body Control Modul. výkonová relé procesor A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 23

24 Parkovací asistent- ultrazvuk. A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 24

25 . řídicí procesor A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 25

26 Blok ovládání naklápění reflektorů - Fabia. A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 26

27 Blok ovládání naklápění reflektorů - Fabia. řídicí procesor výkonové stupně ovládací výstupy kom. rozhr. CAN A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 27

28 Deska komunikace s Bluetooth. SRAM Flash (NOR) Flash anténa (procesor) A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 28

29 Multifunkční volant - Octavia. A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 29

30 Multifunkční volant - Octavia. opt. snímač enkodéru kontakty tlačítek A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 30

31 Multifunkční volant - Octavia. mikrořadič Infineon TLE 9832 jádro 51 A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 31

32 Shrnutí bloky multifunkčního volantu mikrořadič ovládací vstupy - tlačítka, rotační ovládač- enkodér, výstupy- LED komunikace- CAN regulátor napájecího napětí (z palubní sítě + 12,6 V) Snímky desek automotive byly pořízeny v laboratoři videometrie katedry měření ČVUT FEL v únoru 2015 péčí pana Ing. Jiřího Hladíka A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 32

33 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?) A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 33

34 Příklady vestavných systémů hračky. Futurocube český výrobek!!! popis sestavy, funkce MEMS, mikrokontroléry (7 kusů), bezdrátový přenos, buzení LED, generace zvuku- řeč komentář. A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 34

35 Futurocube- kostka Možnost komunikace procesorů - mezi sousedními kostkami zvetšení pole LED A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 35

36 Kávovar - mikrokontrolér STM32Fxxx řízení A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 36

37 . Fit bit analýza pohybu osoby a spotřebované energie ( jako krokoměr ) mikrokontrolér, akcelerometr, bezdrátový přenos do mobilu A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 37

38 . Sony SmartWatch MN2, Mikrokontrolér STM32F429, Grafika, bezdrát. komunikace s mobilem, vibrace,.. A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 38

39 Gosphero - hračka. 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, A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 39

40 . 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 A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 40

41 Q- tag monitor teplotního profilu v čase Sledování teploty (dodržení limitu- doprava a skladování potraviny, krevní deriváty, ) STM32L1xx, záznam limitů, USB rozhraní pro čtení, bateriové napájení A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 41

42 Monitoring pohybu, sportovní náčiní Monitoring- tenisová raketa, golfová hůl, STM32L1xx, akcelerometr, přenos dat,.. Měřič tlaku, A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 42

43 Monitoring běhu Akcelerometr, procesor, USB Bluetooth akumulátor- napájení A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 43

44 Monitoring tepu Monitoring pohybu a tepu, akcelerometr, opt. snímač tepu STM32L1xx Firma Pulse on ( poznámka kdo SW pro signal processing) A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 44

45 Plavecké brýle s monitoringem, čelová svítilna Monitoring srdeční činnosti a pohybu při plavání, STM32L152, akcelerometr, bluetooth, Čelovka fy. Petzl STM32L1xxx řízení svitu podle světla v okolí okolí a náklonu hlavy (odraz sv. od mapy,..) A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 45

46 Čelová svítilna. Petzl horolezecká čelovka ( high end ) mikrokontrolér, akceleromer, optický senzor, řízení výkonu podle odraženého světla, náklonu, případně pohybu hlavy, konfigurace ( programování ) pomocí PC a USB A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 46

47 Řízení kvadroptéry Řízení BLDC motorků STM32F303 (ARM Cortex-M4) snímač atm. tlaku akcelerometr gyroskop magnetometrkompas A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 47

48 Příklady použití mikrokontrolérů jiných firem žiletkový holicí strojek, baterka A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 48

49 Shrnutí: bloky přístroje řízeného procesorem, mikrořadičem: ovládací vstupy, analogové a číslicové vstupy, zobrazení, komunikace, výstupy, komunikace, akční výstupy analogové logické vstupy řízené obvody vstupy, výstupy, A/D, D/A analogové logické výstupy zobrazení LED tlačítka klávesnice mikropočítač mikrořadič ( microcontroller) LED 7- segment LCD- segment graf. LCD ext. paměti Flash, pam. karty rozhraní RS232, USB, Ethernet A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 49

50 Náplň předmětu - přednášky Návrh mikropočítače Připojování vstupních a výstupních obvodů Obvody pro komunikaci s obsluhou, připojení vstupních bloků -tlačítek, klávesnic, výstupních bloků -LED, LCD Připojení A/D, D/A převodníků Logické obvody (řady CMOS, druhy, napěťové úrovně, použití) Paměti ( SRAM, EPROM, FLASH, FIFO, Dual port..) Systémové sběrnice mikropočítačů, připojování obvodů na sběrnice Připojování vstupních a výstupních obvodů Obvody pro komunikaci s obsluhou, připojení vstupních bloků -tlačítek, klávesnic, výstupních bloků -LED, LCD Další druhy mikropočítačů a mikrořadičů- architektura, vlastnosti A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 50

51 Jednoduchý mikrořadič s jádrem MCS 51 Mikrořadiče s jádrem MCS 51 (původ Intel) vyráběné v současnosti řadou firem (Atmel, NXP, Microchip, Silicon Laboratories, Infineon, Texas Instruments, Jádro procesoru MCS51 doplněné různými periferiemi ext. int. interrupt control 8 KB Flash Blokové schéma AT89 C B RAM Timer 0, 1, 2 counter inputs CPU osc bus control I/O port serial port UART P0 P2 P1 P3 TxD RxD Address / Data A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 51

52 Mikroprocesory na cvičení A3B38MMP Mikrořadiče s jádrem MCS 51 jednoduché na pochopení, veliké množství literatury a programů, vývojové nástroje Keil,. Výhodné na pochopení základních principů mikrořadičů (programování naučit se za víkend ) Manuály cca 200 stránek Používané do r i na cvičeních A3B38MMP pro začátečníky v mikroprocesoro. tech.- tedy většinu studerntů. V A3B38MMP pro pokročilé stud. - používány STM32F100 (ARM Cortex- M3) (Kyr feedback stud, proto Nyní ARM Cortex M3 povinný pro všechny Třeba se věnovat naplno od začátku, domácí příprava, řešení úloh. ARM Cortex M3 + STM32L1xx Manuály cca stránek (Není třeba studovat vše) Výhoda - ARM Cortex M3 architektura používaná desítkami výrobců, poznatky z předmětu perspektivně využitelné Cenově dostupné kity i pro vlastní práci A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 52

53 STM32L100 Discovery kit Aplikační procesor STM32L100RC dolní část ladicí rozhraní ST-Link V2 STM32F103 horní část ( možno využít i pro ladění vnější aplikace target ) Napájení desky z USB pozor na zkraty A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 53

54 STM32L100 Discovery ovládání a připojovací body. GND tlač. PA0 GND zel.led PC9 GND modrá LED PC8 GND +5 V A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 54

55 STM32L100 Discovery části 1- ST link 2 STM32L100 aplik. proc. 3 rozhraní SWD A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 55

56 Bloky desky STM32L100 Discovery. A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 56

57 STM32L100 Discovery- procesor STM32L100RC A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 57

58 Procesor STM32L100 Procesor STM32L100 (z rodiny STM32L1xx, stejně jako STM32L15x) správně mikrořadič- microcontroller obsahuje všechny bloky potřebné pro samostatnou funkci vlastní procesor jádro CM - 3, řadič přerušení NVIS, sběrnice (nonvolatile) paměť programu- FLASH paměť dat SRAM paměť EEPROM brány vstupně výstupní brány- přístupné v adresním prostoru podobně, jako jsou paměti Nastavení výstupu z hlediska porgramu- zápis na danou adresu Čtení stavu vstupu čtení z dané adresy periferní obvody : čítače, komunikační řadiče, ADC, DAC, další funkční bloky: generátory hod. signálu, dohlížecí obvody,.. A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 58

59 Struktura STM32L152 Jádro ARM Cortex M3 Brány a periferie připojeny přes sběrnice Sběrnice AHB, APB standard ARM A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 59

60 ARM Cortex- M3 Firma ARM - nevyrábí obvody pouze vytváří návrh jádra - procesor 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 Způsob komunikace pro vnitřních sběrnicích Spolupráce s rozhraním pro ladění (debug) JTAG, SWD Výrobci individuálně do návrhu na čipu doplňují paměti (Flash, SRAM a různé periferie přístupné v daném adresním prostoru více na A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 60

61 Bloky mikrořadiče STM32L15x STM32L100 podobné bloky jako STM32L15x Označené bloky využité v úvod. cvičeních I/Os Inputs/ Outputs vstupně/ výstupní brány A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 61

62 ARM.ARM - RISC procesory původ britská firma Acorn, procesory - stolní počítače později vývoj vlastního procesoru ARM1 v r. 1985, ARM 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 do té doby ARM orientace na přenosná zařízení, mobilní telefony, rozvoj A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 62

63 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 A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 63

64 ARM ARM - RISC procesory (pojem RISC) ARM7TDMI 32- bitový procesor, data 32 bitová, (tedy registry 32 bitů) adresa 32 bitů, adresní prostor 2 32 = 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 A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 64

65 . 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 ( např. ARM7TDMI) implementuje dvě instrukční sady 16- bit Thumb Instruction Set instrukce kódována halfword 32- bit Instruction ARM instrukce kódována word ARM CORTEX M3 instrukční sada Thumb 2 (jedna společná sada dohromady 16- i 32- bitové instrukce) (obsahuje Thumb a některé ARM) A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 65

66 . 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 A 0 =1 (kód instrukce je 16- bitový, tak reálná adresa má A 0 =0, ale právě požadavek skoku na adresu s A 0 =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 D 0 = 0, nebo D 0 =1 odpovídajícím adresovému bitu A 0 A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 66

67 Registry CM-3 Pozn. procesor nemá akumulátor, jako např a další 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 A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 67

68 Registry 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 (jako např. u 8051, uživ. prog. musí sám uložit obsah LR 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 registr programu (Program Status Register xpsr) stavových registr příznaků (Flags) A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 68

69 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) A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 69

70 Instrukční sada Thumb a Thumb-2 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 A 0 = 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 Thumb (16 bitů) nebo Thumb2 (32 bitů) instrukce - to volí překladač- optimalizace na délku kódu. A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 70

71 Instrukční sady procesorů ARM Cortex- M0, M3, M4. A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 71

72 Mapa adresního prostoru mikrořadiče s jádrem CM-3. A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 72

73 . A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 73

74 Jádro ARM Cortex M3 literatura Volně dostupné materiály: Sadasivan S.:An Introduction to the ARM Cortex-M3 Processor ( DUI 0552A_Cortex - M3 devices generic user Guide ( DDI 0337E Cortex -M3 Revision: r1p1 Technical Reference Manual ( DDI 0403 ARM v7-m Architecture Reference Manual ( dostupný po zaregistrování) (podrobný popis architektury ARMv7M do které spadá i ARM Cortex M3) A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 74

75 Knihy pro ARM Coertex M3 Joseph Yiu: The Definitive Guide to the ARM Cortex-M3 2. vydání dostupné v NTK (Národní tech. knihovna) v el. formě Existuje též: 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) A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 75

76 Literatura pro STM32L100 katalogový list k STM32L100RC: DocID Rev 4 STM32L100RC, Datasheet podrobný referenční manuál: RM0038 Reference manual: STM32L100xx, STM32L151xx, STM32L152xx and STM32L162xx ( UM1656 User manual: 32L100CDISCOVERY discovery kit ( Instrukce procesoru:pm0056- Programming manual: STM32F10xxx/L1xxxx Cortex-M3 programming manual ( A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 76

77 The Insider s Guide To The STM32 ARM Based Microcontroller An Engineer s Introduction To The STM32 Series dostupné na Velmi zkrácený přehled architektury ARM Cortex M3 z hlediska, implemetace do STM32F1xx Insiders Guide - dobrý proto to, zjistit, co se má vlastně hledat v dalších podrobných manuálech orientován na STM32F100 STM32L100 - poněkud odlišná konfigurace bran a periferií A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 77

78 Popis instrukci použitých v programu LED_BLIK: Instrukce aritmeticke: SUBS R0, R1, #1 SUBS R0, R0, #1 ; R0 = R1-1 a nastaveni registru priznaku (PSR) odečtení 1 od R1 a uložení do R0 Instrukce logicke: BIC R1, R1, R2 ORR R1, R1, R2 ; R1 = R1 & (/R2) - logicky soucin R1 s negovanym R2 ; R1 = R1 R2 - logicky soucet R1 s R2, vysledek do R1 Instrukce porovnani: CMP R0,#1 TST R0,#1 ; porovna R0 s 1 a nastav. priznaku, hod. v R0 se nezmeni ; komparace- porovnání velikosti ; R0 & 1 a nastaveni priznaku, ale hodnota v R0 se nezmeni ; testování - testuje stav bitů v R0 na místech ; urcenych jednickami v pravem levem operandu ; zde se testuje, zda je na nejnizsim miste v R0 bit =1 A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 78

79 . Instrukce presunu: MOV R0, R1 ; kopie R1 do R0, R0 = R1 MOV R0, #1 ; kopie 1 do R0, R0 = 1 LDR R0, =0x200 ; pseudo instrukce kopie 0x200 do R0, R0 = 0x200 LDR R1, [R0] ; do R1 nacteni hodn. z adresy urcene registrem R0 STR R1, [R0] ; kopie hodnoty z R1 do pameti na adresu podle obs. R0 PUSH {R0,LR} ; ulozeni hodnoty v R0 a LR do zasobniku POP {R0,PC} ; vyzvednuti hodnoty ze zasobniku do PC a R0 Instrukce skoku: B NAVESTI ; skok na adresu, kde je uvedeno navesti NAVESTI BL NAVESTI ; skok na NAVESTI a ulozeni navratove adresy do LR BX LR ; skok na adresu umistenou v registru LR BEQ NAVESTI ; skok na NAVESTI podle vysledku predchozi instrukce, ; tj. skok pri vysledku rovno nula (příznak Z Zero) BNE NAVESTI ; skok na NAVESTI podle vysledku predchozi instrukce, ; tj. skok pri vysledku nerovno nula A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 79

80 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 doleva) instr. přesunu mezi reg., příp. přímá data do reg. (zprava 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!!!) Pseudoinstruce 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 A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 80

81 Mikriřadiče - řada STM32L1xx. A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 81

82 Obsazení adresního prostoru u STM32L1xxx. A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 82

83 Spolupráce bloků v STM32L1xxx Jádro CM-3 komunikace prostřednictvím sběrnic AHB,APB ( APB1, APB2) FLASH paměť programu SRAM - paměť dat (příp. část. programu) GPIO obecné vstupně výstupní brány. Po reset- sběrnice AHP, APB neaktivní A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 83

84 Hodinové signály v STM32L1xx Po reset- hodinový signál procesoru 2 MHz Pro rozeběhnutí sběrnic a periferií - potřeba aktivovat přivedením hod. signálu A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 84

85 . A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 85

86 .Adresy periferií v STM32L1xx A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 86

87 Adresy periferií použitých v úvodním programu GPIOC brána C od 0x modrá LED PC8, zelená LED PC9 GPIOA brána A od 0x tlačítko PA0 brány jsou 16- bitové (PA15 MSB až PA0 LSB) A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 87

88 . A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 88

89 . A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 89

90 . A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 90

91 Mapa RCC registrů viz. kap pro informaci, jak hledat v katal. A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 91

92 . A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 92

93 . A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 93

94 STM32L100 brána Každý pin brány - samostatně konfigurovatelný A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 94

95 Po reset jsou brány neaktivní nic nefunguje Minimalizace proudového odběr Pro použití- nutno aktivovat konfigurovat je možno aktivovat i jenvybrané jednotlivé piny brány, Zlaté pravidlo pokud něco nefunguje, podívat se, zda je brána, či periferie připojena na vnitřní sběrnici a zda má přiveden hodinový signál AHB peripheral clock enable register (RCC_AHBENR) APB2 peripheral clock enable register (RCC_APB2ENR) APB1 peripheral clock enable register (RCC_APB1ENR) ( UART, Timery,..) Nastavuje se typ A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 95

96 STM32L100 konfigurace brány. A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 96

97 STM32L100 registr rychlosti brány- pokrač.. A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 97

98 STM32L100 registr rychlosti brány- pokrač.. A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 98

99 STM32L100 registr MÓDU brány GPIOC brána C od 0x GPIOC_MODER 0x = 0x GPIOA brána A od 0x GPIOC_MODER 0x = 0x PA PC A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 99

100 STM32L100 registr TYPU brány GPIOC brána C od 0x GPIOC_OTYPER 0x = 0x GPIOA brána A od 0x GPIOC_OTYPER 0x = 0x pro bránu C postačuje ponechat v reset stavu 00 Push - pull pouze pro výstupní bránu A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 100

101 STM32L100 registr rychlosti brány GPIOC_OSPEEDR = 0x GPIOA_OSPEEDR = 0x PA, PC A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 101

102 STM32L100 registr brány pro Push Pull. GPIOC_PUPDR = 0x C GPIOC_PUPDR = 0x C PA PC A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 102

103 GPIOx_IDR vstupní registr čtení brány GPIOC_IDR = 0x GPIOC_IDR = 0x Registr vstupní brány- zde čtení stavu na pinech vstup tlačítka na desce, brána PA0 GPIOA čtení 1 A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 103

104 GPIOx_ODR Registr výstupní brány GPIOC_ODR = 0x GPIOA_ODR = 0x LED PC8, zelená PC9 zápis 1 (tedy hodnota 0x200 hexadecimálně, 0_ binárně do registru brány C rozsvítí zelenou LED A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 104

105 Registr bit RESET GPIOC_ODR = 0x GPIOC_ODR = 0x zápis v dané pozici vynuje daný bit brány (analogie hřebeny ) vhodné pro vynulování vybraných bitů, bez ovlivnění zbývyjících bitů A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 105

106 Registr bit SET /RESET. GPIOC_ODR = 0x GPIOC_ODR = 0x Nastavení vybraných bitů do 1 a vybraných bitů do 0 nastav do 0 nastav do 1 A3B38MMP 2016, Před_1, J. Fischer, ČVUT - FEL, Praha, kat. měření 106