1. 32-bitni mikrokontroleri i primena - MS1BMP
2017/2018
Nenad Jovičić
Marija Janković

2. Organizacija kursa Predavači: Web: tnt.etf.rs/~ms1bmp
doc. Dr Nenad Jovičić
As. Marija Janković
Web: tnt.etf.rs/~ms1bmp
Projekat 40% ocene
Ispit (60% ocene):
Demonstracija projekta
Diskusija o projektu
Teorijska diskusija

3. Timeline
U ovom kursu ćemo se baviti kako praktičnom realizacijom projekata koji u sebi sadrže Cortex mikrokontroler, tako i specifičnim teorijskim aspektima ove tehnologije.
Gruba struktur kursa:
KEIL razvojno okruženje.
Pisanje softvera po CMSIS standardu.
Detaljno proučavanje hardverskih sklopova STM Cortex mikrokontrolera.
Specifičnosti arhitekture Cortex mikrokontrolera.
Napredne tehnike debagovanja
Projektovanje softvera STM mikrokontrolera na bazi HAL drajvera
Cortex u DSP aplikacijama

4. Projekat
Implementacija jednostavnog hardversko-softverskog sistema/uređaja na Cortex-M3 , M4 ili M7 razvojnoj platformi.
Projekat ne treba da bude obiman po broju korišćenih periferija, ali treba da bude detaljan u ispitivanju mogućnosti izabranih periferija. Ide se u dubinu a ne u širinu.

5. ST Nucleo F103 ARM®32-bit Cortex®-M3 CPU 72 MHz max CPU frequency
128 KB Flash
20 KB SRAM
GPIO (51) with external interrupt capability
12-bit ADC (2) with 16 channels
RTC
Timers (4)
I2C (2)
USART (3)
SPI (2)
USB 2.0 full-speed
CAN

6. ST Nucleo L476 ARM Cortex-M4 CPU with FPU at 80MHz 1 MB Flash
128 kB RAM
3× 12-bit ADC 5 MSPS
2x 12-bit DAC
Up to 16 timers
Up to 3x I2C, 6x USARTs, 4x SPIs, CAN
USB OTG 2.0 full-speed

7. ST Nucleo F746 ARM® 32-bit Cortex®-M7 CPU with FPU 216MHz
1MB of Flash memory
SRAM: 320KB
3×12-bit, 2.4 MSPS ADC: up to 24 channels and 7.2 MSPS in triple interleaved mode
2×12-bit D/A converters
Up to 18 timers
Up to 4x I2C, 8x USARTs, 6x SPIs, 2xCAN
USB 2.0 full-speed device/host/OTG controller with on-chip PHY
USB 2.0 high-speed/full-speed
10/100 Ethernet MAC with dedicated DMA
......

8. Projekat - rokovi Period 1 - Prikupljanje predloga projekata.
Faza 1 - Izveštaj 1. - Idejno rešenje.
Period 2 – Definisanje spiska potrebnih komponenti.
Faza 2 - Izveštaj 2. - Dizajn hardvera na nivou električne šeme, i dostavljanje spiska komponenti.
Period 3 – Nabavka komponenti.
Period 4 – Rad na prototipu.
Faza 3 - Izveštaj 3. – Prototip hardvera i softvera. Minimalna konfiguracija koja potvrđuje izvodljivost projekta.
Period 5 - Finalizacija projekta.
Ispitni rok januar 2018 – Finalni izveštaj.

9. Projekti
Primeri projekata na stranici:

10. Komponente
Preferirani dobavljač modula je kompanija Mikroelektronika. .
Najzgodnije za upotrebu su Click pločice.
Moguća je u posebnim slučajevima i nabavka nekih specijalnih komponenti iz stranih kataloga, kao na primer iz .

11. Komponente
Povezivanje može da bude izvedeno pomoću kratkospojnika, ali može da se realizuje i preko namenski napravljene/izlemljene matične ploče.
Nabavka standardnih elektronskih/električnih komponenti se vrši u kelco-u ili mikroprincu. ,

12. Literatura - knjige
The Designer's Guide to the Cortex-M Processor Family, Trevor Martin, Elsevier, 2013.
( tnt.etf.rs/~ms1bmp/BOOK1.pdf )
The Definitive Guide to ARM® Cortex®-M3 and Cortex®-M4 Processors, Joseph Yiu, Elsevier, 2013.
( tnt.etf.rs /~ms1bmp/BOOK2.pdf )

13. Literatura – ARM-ova dokumentacija
ARMv7-M Architecture Reference Manual (ARM DDI 0403)
ARM Cortex-M3 Integration and Implementation Manual (ARM DII 0240)
ARM AMBA® 3 AHB-Lite Protocol (v1.0) (ARM IHI 0033)
ARM AMBA™ 3 APB Protocol Specification (ARM IHI 0024)
AMBA® 3 ATB Protocol Specification (ARM IHI 0032)
ARM CoreSight™ Components Technical Reference Manual (ARM DDI 0314)
ARM Debug Interface v5 Architecture Specification (ARM IHI 0031)
ARM Embedded Trace Macrocell Architecture Specification (ARM IHI 0014).
IEEE Standard Test Access Port and Boundary-Scan Architecture (JTAG).
...

14. Sadržaj predavanja Alati za razvoj softvera za CortexM KEIL – MDK ARM
Instalacija
Softverski paketi
Prvi program (simulator)
Konfiguracija projekta
Debagovanje
Prvi program (hardver)

15. Cortex-M razvoj softvera
Osnovna prednost je mnoštvo ranovrsnih softverskih alata, od onih koji su free do onih koji koštaju hiljade dolara.
Striktno govoreći GCC nije okruženje već kompjaler koga u pozadini koriste mnogi proizvođači softvera.

16. KEIL
Mi koristimo KEIL kompajler, jer nudi kompletnu podršku za Cortex-M mikrokontrolere.
KEIL koristi ARM-ov C kompajler
Poseduje i svoj Real-Time Operating System (RTOS) nazvan RTX
Poseduje i svoju DSP biblioteku, takođe pisanu od strane ARM-a.

17. MDK-ARM
MDK-ARM je sam po sebi tzv. core toolchain, što znači da nema u osnovi podršku za bilo koji konkretan mikrokontroler.
Instalacijom takozvanih PACK-ova (paketa) dobija se podrška u vidu biblioteka i primera za pojedinačne mikrokontrolere ili čak i razvojne sisteme.

18. KEIL – softverski simulator
MDK ARM obezbeđuje i softverski simulator koji sadrži modele svakog Cortex-M procesora.
Pored modela procesora, postoje i modeli periferijea određenog broja mikrokontrolera koji sadrže ove procesore.
Time je podržano pokretanje i debagovanje većeg broja osnovnih primera bez konkretnog hardvera i hardverskog debagera.
Omogućeno je pisanje i novih programa i testiranje pomoću simulatora.

19. Instalacija
Download-ovati eval verziju koja podržava 32k koda sa
Intalirati MDK ARM i pokrenuti instalaciju
pack-ova

20. Potrebni paketi
Devices tab -> STMicroelectronics -> STM32F1 Series Pack tab -> Device Specific -> Keil::STM32F1xx_DFP
Update ili install : Pack tab -> Generic ->
ARM::CMSIS
ARM::CMSIS-Driver_Validation
Keil::ARM_Compiler
Example paketi:
dupli klik na oba .pack fajla

21. Tutorial Examples Pack

22. Kreiranje prvog projekta
Koristimo fajlove iz Primera 2.2 – iskopirati fajlove u odgovarajući folder (odčekirati Use Pack Folder Structure)
Project -> close project

23. Mikrokontroler STM32F103RB/
Opis prvog projekta
Blinky projekat –
Očitavanje analognog ulaza ADC_IN14
paljenje i gašenje dioda na svakih 50ms
Mikrokontroler STM32F103RB/
MCBSTM32E
LE diode sa GPIO B porta
Napon sa ADC_IN14

24. Prvi projekat Project -> New uVision Project
Sačuvati u folderu u kome je i Blinky projekat.

25. Izbor uređaja
Nakon toga se bira ili generičko jezgro ili konkretni mikrokontroler.
Biramo STM32F103RB
Izborom uređaja se konfiguriše projekat:
compiler options
linker script file
simulation model
debugger connection
Flash programming algorithms.

26. “Run-Time Environment” (RTE) Manager
Uključivanje delova sotverskih paketa (prethodno instaliranih kroz Packet manager) koji su potrebni za aktivaciju i korišćenje procesora i željenih periferija ploče.
Bira se minimalni set komponenti koji su potrebne za uspešno izvršavanje konkretnog projekta (analogno #include opciji)

27. RTE
Biramo ponuđenu podršku za ploču, ali i osnovnu podršku za CPU i startup fajl
CMSIS – Core
Device – Startup
Koristimo i odgovarajuće periferije ADC i LED, a podrška za njih se uključuje kroz softversku podršku evaluacione ploče (u našem slučaju Keil MCBSTM32E)
Board Support – A/D Converter
Board Support – LED
Narandžasto ukazuje da je potrebna podrška, obično nekih low-level funkcija. U ovom primeru onih iz Device modula.

29. startup_stm32f10x_md.s This module performs:
Set the initial SP
Set the initial PC == Reset_Handler
Set the vector table entries with the exceptions ISR address
Configure the clock system
Branches to __main in the C library (which eventually calls main()).
After Reset the CortexM3 processor is in Thread mode, priority is Privileged, and the Stack is set to Main.

30. Promenom veličine u Configuration Wizard-u menja se i vrednost u startup fajlu.

31. Dodavanje postojećeg source fajla
desni klik Source Group -> Add Existing -> Blinky.c
Blinky.c ukazuje koji include fajlovi su mu potrebni

32. Potpun projekat – build it!F7

33. Debug
Učitali smo i build-ovali projekat, sada želimo da ga debagujemo – postavlja se pitanje da li debagger očekuje hardversku podršku ili se poziva simulator?
Project -> Options for Target 1

34. Debug

35. Dbg_Sim.ini Skripta modeluje ponašanje eksternog hardvera.
Svi simulirani pinovi mikrokontrolera se pojavljuju kao virtuelni registri iz kojih može da se čita, ali i u koje skripte može da upiše.
Skripta generiše simuliranu rampu na kanalu 14 ADC1

36. Debug – analogni ulaz u simulaciji?

37. Debugging – pre nego što počnemo
Kreirali smo projekat za mikrokontroler STM32F103RB
Kroz RTE smo uključili softverske komponente za CMIS Core, Device Startup i potrebne periferije (ADC, LED, GPIO)
Dodali smo main funkciju koja ima željenu funkcionalnost – Bliky.c
Postavili smo projekat u simulacioni režim
Definisali drajvere za konkretnu ploču
Definisali skriptu za ulazne podatke

38. Ctrl F5 – Start Debug Session
uVision se povezuje sa simulacionim modelom i projekat se „spušta“ u simuliranu memoriju mikrokontrolera.
Kada se load-uje program, mikrokontroler se resetuje i izvršavaju se instrukcije dok se ne stigne do main() funkcije. Time se započinje debagovanje.

39. μVision debugger je podeljen u više prozora koji omogućavaju analizu i kontrolu izvršavanja koda.

40. Dissasembly

41. Kontrola izvršavanja
Breakpoint

42. Praćenje vrednosti Memory Register window Promenljive
Watch
Logic Trace
Periferijski registri
Peripherals -> periph_name

43. Watch

44. Logic Trace – Logic Analyzer

45. Vrednosti registara periferija
GPIOB
Probajte da upisete nesto?

46. Praćenje izvršavanja instrukcija - TRACE
View->Trace->Enable Trace Recording
View->Trace->Trace Data
Stop the execution to show the instructions

47. Šta znamo do sada
Sadržaj svih registara, promenljivih, registara periferija
Sadržaj memorije
Možemo da prikazujemo vrednosti promeljivih pomoću Logic Analyzer-a
Imamo uvid u svaku izvršenu instrukciju
Možemo da prekinemo izvršavanje i očitamo sve ove parametre.
Šta je još korisno?

48. Performanse
View->Analysis->Code coverage

49. Performanse
View->Analysis->Code coverage

50. Hardver kaže Hello world!

51. NUCLEO-103RB Podrška za ploču NUCLEO-103RB
Nakon instalcije otvoriti Blinky example

52. Demo projekat za Nucleo ploču

53. Opcije projekta
Učestanost Xtal se koristi samo pri simulacijama.

54. Zone u memoriji
Moguće je i drugačije definisati memorijske banke, i linkeru ukazivati gde šta da “pakuje”.
Koriste se samo niži blokovi, osim ako se linkeru ne kaže drugačije.
Prilikom startup-a briše se RAM moerija osim ako nije validirana opcija NoInit.

55. Memory assignment
Za svaki fajl posebno može da se sugeriše gde će biti smešten njegov kod i podaci.

56. Standard Library set
Standardna ANSI biblioteka ili MicroLIB koji je više prilagođen mikrokontrolerima.
Na primer funkcija printf se razlikuje u te dve biblioteke. U MicroLIB biblioteci je optimizovana tako da zauzima manje prostora.
Sa druge strane MicroLIB biblioteka ne podržava C++.

57. Options->Output

58. Options->Listing

59. MAP fajl

61. Options->C/C++
Optimizacije treba držati na nuli jer je tako debug-ovanje jasno i jednoznačno.
Podrazumevana optimizacija je po veličini image-a, tj. programa.
As you increase the optimization level, the compiler will use more and more aggressive
techniques to optimize the code. At the high optimization level, the generated code
no longer maps closely to the original source code which then makes using the
debugger very difficult. For example, when you single step the code, its execution
will no longer follow the expected path through the source code. Setting a break point
can also be hit and miss as the generated code may not exist on the same line as the
source code. By default, the compiler will generate the smallest image.
The compiler menu also allows you to enter any #defines that you want to pass to the
source module when it is being compiled. If you have structured your project over several
directories you may also add local include paths to directories with project header files. The
Misc Controls text box allows you to add any compiler switches that are not directly
supported in the main menu. Finally, the full compiler control string is displayed, this
includes the CPU options, project includes paths and library paths, and the make
dependency files.

62. Options->Linker
Glavna informacija za linker je memorijska mapa preuzeta iz target menija, koja se zatim konvertuje u Scatter fajl.
Scatter fajl daje tekstualni opis podele memorije linkeru.

63. Options->Utilities

64. Build & Load Povezati ploču na računar
U Device Manager-u proveriti da li je instaliran STLink
Ako nije
Desni klink Update driver
Browse my Computer for Driver Software
Folder Keil_v5
Pronaći će se drajver

65. Build & Load

66. main.c
Gde piše printf?

67. Serial.c za 103RB || stdout_USART.c za L476RG

68. Hterm – serijska komunikacija

69. printf u simulaciji
Vratimo se na First project tj. naš simulacioni projekat
Start debugging
View -> Serial Windows -> Debug (printf) viewer
Nismo omogućili u Run Time Environment-u da se uključi STDOUT
ITM – Instrumentation Trace Macrocell

70. printf u simulaciji

71. printf u simulaciji