Микроконтроллер

Отдельного упоминания заслуживает семейство GD32V от GigaDevice. Этот микроконтроллер представлен на одной из первых микроконтроллерных плат RISC-V, плате разработки GD32 RISC-V от SeeedStudio. Как и Red-V Thing Plus, эта плата имеет очень мало поддерживающих аппаратных элементов вокруг микроконтроллера, так что вы можете работать непосредственно с чипом (рис.2.2).

Эта плата пользуется большой популярностью, потому что она построена на базе микроконтроллера GD32VF103, прямого конкурента микроконтроллеру STM32F103 (который оснащен процессором ARM Cortex M-3). Конкуренция, мягко говоря, интересная, поскольку GigaDevice решила использовать ту же номенклатуру, что и STMicro, что означает, что этот чип имеет те же компоненты, что и STMicro. Одно большое отличие заключается в том, что микроконтроллер GD32VF103 от GigaDevice использует ядро RISC-V, точнее, RV32IMAC. Это тот же процессор, который мы будем использовать в Red-V Thing Plus. Если у вас есть опыт работы с микроконтроллерами семейства STM32, эта плата может стать плавным переходом от ARM к RISC-V.

СнК

На другом конце спектра у нас есть системы высокого класса с кэш-памятью, основной памятью и графическими процессорами, все в одном чипе. Их часто называют СнК, и среди них тоже есть звезды:

Цель СнК - обеспечить возможность создания пользовательских приложений, работающих под управлением операционной системы (например, Android, Windows или Linux), с использованием как можно меньшего количества чипов. Очевидно, пространство в мобильном устройстве имеет решающее значение, поэтому удобнее иметь все в одном чипе, чем кучу чипов, разбросанных по печатной плате. "Все" означает то, что вы могли бы найти на материнской плате ПК. Вот почему на платах СнК, таких как Raspberry Pi (рис.2.3), так мало микросхем:

Основные характеристики СнК FE310

В Red-V Thing Plus используется СнК Freedom E310-G002. Вот некоторые из его особенностей:

Как вы можете видеть, это больше похоже на MCU, чем на СнК, как описано выше. Однако в этом чипе реализован ряд улучшений производительности, что ставит его на более высокий уровень в категории микроконтроллеров. Эти усовершенствования включают кэш команд, конвейер выполнения, предсказатель ветвлений, интерфейс QSPI для внешней флэш-памяти и тесно интегрированную память данных.

Эти улучшения не получили широкого распространения в популярных микроконтроллерах, и в этом курсе мы, безусловно, используя этот мощный чип в качестве традиционного микроконтроллера, не раскроем его потенциал полностью.

Чип имеет относительно небольшое количество контактов, и он доступен только в корпусе QFN48:

Чтобы узнать больше о функциях микроконтроллера, не стесняйтесь обращаться к техническому описанию FE301-G002.

Принципиальная схема

На рисунке 2.5 представлена принципиальная схема FE 310. Бегло ознакомьтесь с его компонентами и организацией, но не тратьте слишком много времени на то, чтобы разобраться в каждой детали или аббревиатуре. Далее мы рассмотрим несколько из этих модулей.

Пунктирный прямоугольник слева обозначает ядро E31, которое представляет собой усовершенствованный дизайн процессора SiFive. Наиболее важной частью ядра является центральный процессор, который представляет собой процессор RISC-V RV32IMAC. Подробнее об этом вы узнаете позже.

Верхняя правая группа блоков - это комплекс GPIO. GPIO расшифровывается как ввод-вывод общего назначения и относится к цифровым выводам ввода-вывода в микросхеме, которые доступны пользователю. Один из этих блоков называется GPIO, поскольку он относится к возможностям цифрового ввода/вывода этих выводов. Однако эти контакты могут быть перенаправлены для управления отдельными операционными модулями, доступными программисту в режиме отображения памяти (SiFive называет это "Аппаратно-управляемые функции ввода-вывода").

Наконец, в правом нижнем углу пунктирным прямоугольником обозначены модули в домене Always-On, который включает счетчик реального времени, сторожевой таймер, резервные регистры, низкочастотную синхронизацию, а также схемы сброса и управления питанием. Как вы можете понять, домен Always-On включает в себя модули, которые должны быть способны реагировать всегда, даже когда чип находится в спящем режиме.

Чтобы узнать больше о блоках в этой схеме, не стесняйтесь обращаться к руководству FE301-G002.

Комплекс GPIO

Следующие модули являются блоками, содержащимися в комплексе GPIO:

GPIO

Это контроллер GPIO, который позволяет вам устанавливать рабочие параметры выводов ввода-вывода, например, устанавливать вывод в качестве входа или выхода, разрешать прерывания для определенных выводов, включать внутренние подтягивающие резисторы для входных выводов или обеспечивать высокую мощность возбуждения по току для выходных выводов.

UART0 и UART1

Это традиционные асинхронные последовательные порты. UART расшифровывается как универсальный асинхронный приемник-передатчик, и это классический интерфейс последовательной связи, доступный в устаревших компьютерах. Вы можете подключиться к последовательному порту вашего компьютера через интерфейс COM-порта с помощью приложения-эмулятора терминала, такого как PuTTY или Tera Term.

PWM 0, PWM1, и PWM2

ШИМ расшифровывается как широтно-импульсная модуляция, популярный метод управления мощностью электрической нагрузки путем изменения рабочего цикла сигнала, который управляет этой нагрузкой. В микроконтроллерах, ШИМ - это классическое применение модулей таймера, которые имеют приложения, связанные со временем ввода и вывода, такие как захват входных данных и сравнение выходных данных. Многие модули таймера в микроконтроллерах имеют специальную функцию ШИМ-генератора, которая позволяет программисту легко генерировать периодические цифровые сигналы. SiFive пропустил функции захвата входных данных и сравнения выходных данных и сразу перешел к реализации ШИМ-генератора. Это имеет смысл: ШИМ на сегодняшний день является наиболее широко используемым приложением модулей таймера. Это то, что позволяет вам так легко изменять яркость экрана вашего смартфона.

SPI1 and SPI2

(На диаграмме неправильно указаны SPI0 и SPI1, но это должны были быть SPI1 и SPI2.) Это два контроллера последовательного периферийного интерфейса, доступных пользователю. SPI - это простейший последовательный коммуникационный интерфейс, который состоит из сдвигового регистра для передачи и сдвигового регистра для приема. Устройство на другом конце имеет два соответствующих регистра сдвига. Микроконтроллер обычно является ведущим в этой сети, поэтому он выводит тактовый сигнал для переключения и несколько линий выбора, чтобы выбрать, к какому ведомому устройству обращаться. Таким образом, в дополнение к линии GND, SPI использует 3 сигнальные линии: MISO (Вход ведомого), MOSI (Выход ведомого) и линию синхронизации, которая управляется ведущим устройством. Ведущий также управляет подчиненными линиями выбора.

I2C

Это интерфейс между интегральными схемами, также известный как I2C или I2CB. Это более удобный интерфейс, похожий на SPI, но он использует только 2 линии для всех устройств, подключенных по шине. Эти 2 линии - SDA (линия передачи данных) и SCL (линия синхронизации). Любое устройство может управлять этими двумя линиями, и каждое устройство имеет адрес в шине, поэтому микроконтроллер может взаимодействовать со многими внешними устройствами на одной шине. Это интерфейс, используемый системой Qwiic Connect.

QSPI0

Это контроллер внешней флэш-памяти. Эта память предназначена для хранения ваших программ в тех случаях, когда внутренней энергонезависимой памяти недостаточно. SparkFun решил использовать внешнюю флэш-память, чтобы вы могли создавать большие программы с помощью Red-V Thing Plus. Поскольку внешняя флэш-память используется как часть операции выборки ядром процессора для выполнения команд, программист не имеет никакого контроля над этим модулем, кроме выбора, использовать его или нет. Это делается с помощью контактов выбора режима в микросхеме (MSEL).

Ядро RISC-V

Архитектура набора команд, реализованная нашим микроконтроллером - это RV32IMAC. Давайте обсудим, что это значит.

Являясь пятым поколением исследовательского проекта, начатого в 1980 году, RISC-V - это опытная архитектура, разработанная для достижения успеха там, где другие терпели неудачу в прошлом, учась на своих ошибках. По этой причине RISC-V был разработан как модульный ISA вместо традиционных инкрементных ISA.Это означает, что реализация RISC-V состоит из обязательного базового ISA и ряда расширений ISA, так что пользовательские процессоры могут быть адаптированы к потребностям приложения.

Соглашение об именовании пользовательских ISA состоит из букв RV (для RISC-V), за которыми следует разрядность и идентификатор модели.

Имея это в виду, RV32IMAC означает:

Базовое ISA состоит всего из 47 команд, и каждое расширение добавляет несколько инструкций. Ниже, на рисунке 2.6 представлено графическое представление набора команд RV32IMAC:

Компиляторы информируются о расширениях, включенных в целевой процессор, чтобы они генерировали наилучший возможный код. Если код содержит команды из расширений, отсутствующие в физическом процессоре, аппаратное обеспечение перехватывает и выполняет программные функции из стандартной библиотеки.

Итак, в следующий раз, когда вы увидите код ассемблера в окне дизассемблера в Freedom Studio, постарайтесь обратить внимание, что он содержит инструкции по сборке RISC-V, которые могут быть перечислены, а могут и не быть перечислены на этой диаграмме. Возможно, вы даже захотите проверить выполнение этих команд, чтобы лучше понять, что происходит.

Чтобы узнать больше о RISC-V ISA, прочтите книгу Дэвида Паттерсона и Эндрю Уотермана под названием "RISC-V Reader". Английская версия стоит очень недорого, а переводы на испанский, португальский, китайский и корейский языки можно скачать бесплатно.

Библиотека Freedom Metal

Все детали, которые мы до сих пор рассматривали в этом разделе, относятся к аппаратному обеспечению и низкоуровневым элементам, которыми вы будете управлять и взаимодействовать с помощью библиотеки встроенного ПО. Думайте об этой библиотеке как об API.

Так же, как и API, совершенно обычным делом является доступ к нескольким библиотекам встроенного ПО, разработанным разными организациями. Например, для Arduino UNO доступно несколько библиотек, включая ту, которая поставляется с Arduino IDE, драйвера, написанные Atmel (поставщиком микроконтроллеров), драйверы, написанные поставщиками устройств, такими как производитель ЖК-модуля, и даже библиотеки, написанные любителями.

Библиотека, которую мы будем использовать в этом курсе, легко доступна в Freedom Studio и написана SiFive. Она называется библиотека Freedom Metal и включена в пакет поддержки платы (или BSP) для платы HiFive1 Rev B.

Давайте представим эту библиотеку практическим, экспериментальным способом. Мы создадим проект, использующий исходные файлы из библиотеки Freedom Metal, включенной в BSP.

Создание проекта в Blinky

Мы начнем с создания проекта так, как вы узнали в предыдущем разделе. То есть создайте проект Freedom E SKD для платы HiFive1 Rev-B, используя программу hello Example, но назовите его Blinky, как показано ниже, на рисунке 2.7. Нажмите на кнопку Готово, когда будете готовы.

Когда Freedom Studio завершит создание вашего проекта (что может занять некоторое время), примите ее предложение по сборке и запуску конфигурации JLink, чтобы упростить отладку. Нажмите на кнопку Отладки (рис.2.8).

Не волнуйтесь, если вы увидите следующее окно с сообщением (рис.2.9). Это просто означает, что у вас плата не подключена к USB-порту. Не стесняйтесь отклонить это сообщение.

После этого вы должны увидеть, что ваш вновь созданный проект открыт в среде IDE. Если вы наведете указатель мыши на кнопку отладки, вы увидите текст всплывающей подсказки, который гласит: Debug Blinky (или любое другое название, которое вы дали своему проекту) (рис.2.10). Это показывает, что конфигурация отладки J-Link доступна простым нажатием этой кнопки. Мы сделаем это вскоре, когда подключим плату к USB-порту. А пока мы добавим немного кода.

Код Blinky

Программа будет мигать. То есть пользовательский светодиод на Red-V Thing Plus будет мигать с постоянной частотой 1 Гц, включаясь на полсекунды и выключаясь на полсекунды.

Следующий фрагмент кода был получен из руководства SparkFun по разработке Red-V и изменен в двух незначительных деталях:

Скопируйте этот код и вставьте его, чтобы заменить содержимое hello.c в вашем проекте Blinky. Кроме того, продолжайте бегло просматривать код, не останавливаясь, чтобы разобраться с каждой функцией. Просто попробуйте разобраться в этом. Мы перейдем к функциям позже.

/******************************************************************************
     Red-V Thing Plus Blinky,
     Minor modifications by Eduardo Corpe?o, June-9-2022
 
     This code was originally written by: Ho Yun "Bobby" Chan and "Tron Monroe"
     @ SparkFun Electronics
     DATE:  11/21/2019
 
     DEVELOPMENT ENVIRONMENT SPECIFICS:
       Firmware developed using Freedom Studio v4.18.0.2021-04-1
       on Windows 10
 
     ========== RESOURCES ==========
     Freedom E SDK
 
     ========== DESCRIPTION ==========
     Using the built-in LED. To test with different pin,
     simply modify the reference pin and connect a standard LED
     and 100Ohm resistor between the respective pin and GND.
 
     LICENSE: This code is released under the MIT License 
(http://opensource.org/licenses/MIT)
******************************************************************************/
 
#include <stdio.h>      // включить библиотеку Serial
#include <time.h>       //включить библиотеку таймера
#include <metal/gpio.h> //включить библиотеку GPIO, https://sifive.github.io/freedom-metal-docs/apiref/gpio.html
 
// Пользовательская функция задержки записи, поскольку у нас нет такой функции, как у Arduino
void delay(int number_of_microseconds){
 
  clock_t start_time = clock();  // Сохранение времени начала
 
  // Выполнение цикла до тех пор, пока не будет достигнуто требуемое время
  while (clock() < start_time + number_of_microseconds);
}
 
int main (void) {
  printf("RED-V Example: Blink\n");
 
  struct metal_gpio *led0; // Создайте образец GPIO
 
  // Примечание: Последовательность вызовов этих функций имеет значение!
 
  // Получите дескриптор устройства GPIO, т.е. определите вывод IC здесь, где GPIO IC = 5, вывод silkscreen = SCK/5
  // это индекс устройства GPIO, ссылка на который начинается с 0, обязательно проверьте схему
  led0 = metal_gpio_get_device(0);
 
  // Быстрая проверка, чтобы убедиться, правильно ли мы настроили metal_gpio, была основана на примере кода "sifive-welcome.c"
  if (led0 == NULL) {
    printf("LED is null.\n");
    return 1;
  }
 
  // Контакты устанавливаются при инициализации, поэтому мы должны отключить их, когда используем в качестве ввода / вывода
  metal_gpio_disable_input(led0, 5);
 
  // Установить gpio в качестве выходных данных
  metal_gpio_enable_output(led0, 5);
 
  // Контакты выполняют несколько функций, убедитесь, что мы отсоединяем все подключенное
  metal_gpio_disable_pinmux(led0, 5);
 
  // Включите вывод
  metal_gpio_set_pin(led0, 5, 1);



  while(1){
      metal_gpio_set_pin(led0, 5, 0);  // Выключите вывод
      delay(500000);  // 500мс в микросекундах
      metal_gpio_set_pin(led0, 5, 1);  // Включите вывод
      delay(500000);
  }
  return 0; // недостижимый код
}

Создание приложения Blinky

Теперь скомпилируйте код и запустите его на своей плате. Помните, что у вас есть два варианта для этого:

Вариант А: Отладьте свою программу

Подключите плату к USB-порту, нажмите кнопку отладки и нажмите кнопку возобновления, крайнюю здесь слева (рис.2.11):

Не забудьте завершить и очистить процесс отладки, прежде чем вернуться к редактированию или попытке повторного запуска вашего кода.

Если ваша конфигурация отладки недоступна, выберите ее, нажав на стрелку раскрывающегося списка кнопки Отладки, а затем выполните отладку конфигураций…

Вариант Б: Загрузите программу на свою плату

Подключите плату к USB-порту и нажмите кнопку сборки (молоток). Как только приложение будет создано, извлеките hex-файл и скопируйте его на внешний диск вашей платы. Наконец, нажмите кнопку сброса на вашей плате. Если все пройдет хорошо, вы увидите, что светодиод мигает 1 раз в секунду (это частота 1 Гц).

В противном случае, если вы получите какие-либо ошибки компилятора или компоновщика, сделайте все возможное, чтобы обнаружить любые синтаксические или логические ошибки с вашей стороны, исправьте код и повторите попытку.

Blinky Демо (Видео)

[Eduardo Corpe?o] Итак, давайте посмотрим, как это работает. Здесь у нас есть проект в Freedom Studio, и я нажму на кнопку отладки. Обратите внимание на всплывающую подсказку, которая гласит: Debug Blinky. А теперь я начну выполнение, нажав кнопку Возобновить. И обратите внимание, как мигает синий светодиод с частотой, по-видимому, в один герц. Вот оно, оно работает.

Доступ к объявлениям функций в Freedom Studio

Отлично! У нас есть работающая мигалка. Но откуда взялись эти функции? Ну, очевидно из включенных файлов stdio.h, time.h и metal/gpio.h, конечно. Но где находятся эти файлы?

Если вы перейдете в окно исходного кода и щелкните правой кнопкой мыши на любом имени, макросе или функции, у вас есть возможность получить доступ к исходному файлу, в котором он объявлен или определен.

Помните:

Объявления функций являются их прототипами, которые содержат информацию о типе их возвращаемого значения и параметрах.

Определения функций - это их реализации с точными строками кода на языке Си, которые описывают их работу.

Некоторые IDE проводят различие между объявлениями и определениями, в то время как другие этого не делают. В Freedom Studio можно увидеть только определения функций с помощью опции контекстного меню Open Declaration. Пожалуйста, примите во внимание тот факт, что термины "определение" и "объявление" используются взаимозаменяемо.

Вы можете развернуть любой раздел, дважды щелкнув по любой из его вкладок. Продолжайте и дважды щелкните на hello.c, чтобы развернуть исходный раздел. Чтобы восстановить его обратно, дважды щелкните на любой вкладке еще раз (рис.2.12).

Теперь прокрутите вниз около строки 46 и наведите указатель мыши (не щелкайте) на любой символ в имени функции metal_gpio_get_device(). Вы увидите приятную функцию eclipse под названием hover, которая представляет собой большую всплывающую подсказку, показывающую предварительный просмотр определения функции. На самом деле, если вы наведете указатель мыши на всплывающую подсказку, вы получите полосы прокрутки для просмотра всего кода определения функции (рис.2.13).

Некоторые программисты находят эти предварительные просмотры всплывающих подсказок раздражающими или навязчивыми. Если вы хотите отключить их, вы можете сделать это, перейдя в "Окно" -> "Настройки" и набрав "hovers" в строке поиска (таким образом вы можете найти любые настройки). Среди результатов слева выберите тот, который находится в разделе C/C++ -> Редактор, и снимите флажок Комбинированный режим наведения курсора.

Некоторые объявления функций

Теперь мы вернемся к коду, щелкнем правой кнопкой мыши на любом символе в имени функции metal_gpio_get_device() рядом со строкой 46 и выберем Открыть объявление в контекстном меню (рис.2.15).

Вы увидите, что эта функция определена в gpio.c, в папке ./freedom-metal/src/. Наведите курсор на имя файла на вкладке, и вы увидите путь к нему во всплывающей подсказке (рис.2.16).

Теперь вернитесь к hello.c и откройте определение другой функции. На этот раз давайте откроем объявление для metal_gpio_disable_input(), и вы заметите кое-что, что может показаться странным. Пожалуйста, сохраняйте спокойствие и посмотрите на файл, в котором определена эта функция (рис.2.17):

Да, этот заголовочный файл содержит исполняемый код, но не пугайтесь: все в порядке. Обратите внимание, что все реализованные функции в этом файле являются встроенными функциями.

Ключевое слово __inline__ информирует компилятор о намерении программиста встроить функцию. Встраивание функции имеет множество преимуществ, таких как более быстрое время выполнения, поскольку не требуется ни передавать параметры, ни возвращать значения. В качестве недостатка это также означает больший объем кода, поскольку код функции будет копироваться каждый раз, когда функция используется.

Встраивание определенных функций является обычной практикой во встраиваемых системах, и в этом заголовочном файле мы видим несколько примеров таких функций. Встроенные функции являются одними из немногих исключений, когда допустимо наличие исполняемого кода в заголовочном файле. Все в порядке.

Все остальные функции, используемые в функции main() нашего кода Blinky, находятся в gpio.h:

metal_gpio_disable_input()
metal_gpio_enable_output()
metal_gpio_disable_pinmux()
metal_gpio_set_pin()

Обратите внимание, что этот файл находится в папке ./bsp/install/include/metal/.

Библиотека Freedom Metal Library на GitHub

Вы можете найти все эти файлы в Freedom E SDK. Первым элементом на странице программного обеспечения SiFive является ссылка на репозиторий sifive/freedom-e-sdk на GitHub. Библиотеки, которые мы используем, находятся в папке ./freedom-metal. Затем исходные файлы находятся в папке ./src, а заголовочные файлы - в папке ./metal (рис.2.18):

Внизу этой страницы вы можете найти документацию по библиотеке Freedom Metal (рис.2.19):

Библиотека Freedom Metal на вашем компьютере

Библиотека Freedom Metal в папке вашего проекта

Напомним, что мы не устанавливали эти два флажка при создании обоих проектов Freedom E SDK (рис.2.20):

При наведении курсора на эти флажки отображаются всплывающие подсказки, объясняющие, что, если их не устанавливать, создается локальная копия библиотек в каталоге вашего проекта. Это означает, что у вас есть копия исходных файлов и документации в папках вашего проекта. Здесь у нас есть документация в папке проекта Blinky, которая начинается с файла index.html (рис.2.21):

Библиотека Freedom Metal в Freedom Studio

Библиотека Freedom Metal интегрирована в Freedom Studio, поскольку она поддерживает все микропроцессоры и микроконтроллеры SiFive. Благодаря этому вы можете легко найти его документацию в меню "Справка" (рис.2.22).

Как вы можете видеть, меню "Справка" содержит множество других полезных документов и ссылок. Найдите минутку, чтобы изучить те, которые кажутся вам интересными.

Итоги лекции

Отлично! Вы справились с этой лекцией.

Приобретенные вами навыки сразу же пригодятся, когда вы начнете писать свои собственные приложения.

Не стесняйтесь возвращаться к этому материалу, если вам понадобится освежить его в памяти в будущем.