1. Trang Chủ
  2. Điện - Điện tử
  3. Giáo trình Hệ thống nhúng: Phần 2 - CĐ Kỹ Thuật Cao Thắng

Giáo trình Hệ thống nhúng: Phần 2 - CĐ Kỹ Thuật Cao Thắng

(NB) Tiếp nội dung phần 1 Giáo trình Hệ thống nhúng: Phần 2 cung cấp những kiến thức còn lại được trình bày như sau: Giới thiệu ARM STM32, giới thiệu KIT, tạo dự án với KEIL ARM, các bước nạp chương trình, lập trình nhúng trên ARM. Mời các bạn cùng tham khảo! Chương 4. Lập trình nhúng trên ARM CHƯƠNG 4. LẬP TRÌNH NHÚNG TRÊN ARM 4.1. GIỚI THIỆU ARM STM32 Lập trình nhúng hiện nay không xa lại gì với chúng ta, STM32 là chip của ST, dựa trên nền lõi ARM Cortex-M. Dòng ARM Cortex™-M là thế hệ mới, th

Thể loại Tài liệu miễn phí Điện - Điện tử

Số trang 39

Ngày tạo 5/20/2020 5:43:22 AM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 2.57 M

Tên tệp

Tải Giáo trình Hệ thống nhúng: Phần 2 - CĐ Kỹ Thuật Ca... (.pdf)

Xem mẫu

  1. Chương 4. Lập trình nhúng trên ARM CHƯƠNG 4. LẬP TRÌNH NHÚNG TRÊN ARM 4.1. GIỚI THIỆU ARM STM32 Lập trình nhúng hiện nay không xa lại gì với chúng ta, STM32 là chip của ST, dựa trên nền lõi ARM Cortex-M. Dòng ARM Cortex™-M là thế hệ mới, thiết lập các tiêu chuẩn mới về hiệu suất, chi phí, ứng dụng cho các thiết bị cần tiêu thụ năng lượng thấp, và đáp ứng yêu cầu thời gian thực khắc khe. Hình 4.1 Hiệu năng ARM Cortex™-M Một số tính năng có sử dụng STM32 như: từ điện tử dân dụng (tivi, đầu máy, máy giặt…), xe hơi đời mới, game, mobile, laptop … chỗ nào ARM cũng có mặt. TÍNH NĂNG NỔI BẬT:  Hiệu suất cao Hình 4.2 Performance DMIP S/MHz  Tiêu thụ năng lượng thấp 34
  2. Chương 4. Lập trình nhúng trên ARM Hình 4.3 So sánh tiêu thụ năng lượng giữa ARM và VĐK 16 bit hoặc 8 bit  Code cũng tương đối dễ vì được support gần như hết: ngoại vi (GPIO, I2C, SPI, ADC, USB, Ethernet, CAN….), ST cung cấp cho chúng ta các thư viện trực tiếp cho mỗi dòng ARM (gọi là CMSIS – Cortex Microcontroller Software Interface Standard ), nhiệm vụ của chúng ta không thể dễ dàng hơn: khai báo và sử dụng mà thôi …  Giá rẻ: STM32F1x khoảng 29000 đồng. STM32F1x chạy với tốc đọ 24Mhz.  Flash 16..128K  37/51/80 chân I/O  2 bộ USART  12 Timers  16 kênh ADC -12bit  2 bộ I2C  2 bộ SPI  2 bộ Watchdog  16 bộ ngắt lập trình được  RTC (đồng hồ thời gian thực tích hợp) … Hình 4.4 so sánh 1 cách trực quan nhất giữa các dòng VXL 8 bit - 16 bit và Cortex™-M qua hàm "nhân 2 số 16 bit" (Cortex™-M có thể nhân 2 số 32 bit chỉ bằng 1 lệnh): Hình 4.4 Comparing 16-bit multiply operations across processor architectures 35
  3. Chương 4. Lập trình nhúng trên ARM 4.2. GIỚI THIỆU KIT Vi xử lý ARM Cortex-M3 là thế hệ mới nhất của dòng vi xử lý ARM cho hệ thống nhúng. Nó được phát triển để cung cấp cho các hệ thống giá thành thấp và nó gần giống với MCU, với việc cắt giàm chân và năng lượng thấp, trong khi vẫn đảm bảo khả năng tính toán và đáp ứng ngắt được năng cao hơn. ARM Cotext M3 dự trên kiến trúc vi xử lý RISC nhưng tối ưu hiệu quả mã lệnh, nhưng năng lực được đảm bảo từ nhân ARM trong kích thước bộ nhớ thường kết hợp với 8 hoặc 16 bit . Dòng STM32F103 có nhân ARM vì vậy tương thích với tất cả công cụ và phần mền dành cho ARM. Nó là sự kết hợp hiệu năng cao từ ARM Cortex-M3 CPU với nhiều thiết bị ngoại vi cũng như nâng cao tính năng I/O. STM32-103 Dev 1.0 cho phép bạn khám phá hoàn toàn nhưng tính năng mới của vi điều khiển ARM Cortex M3 STM32F103RDT6 được phát triển từ ST Microelectronics Inc. Một vài ứng dụng như: USB Mass Storage device, Audio class device, HID mouse device, CDC Virtual com port device … Hình 4.5 Kit STM32F103RDT6 4.2.1. Đặc tính của kit 1. MCU: STM32F103RDT6 ARM 32 bit CORTEX M3™ with 384K 2. Program Flash, 64K Bytes RAM, USB, CAN, x2 I2C, x16 ADC, x2 DAC 3. x5 UART, x2 SPI, x12 TIMERS, up to 72Mhz operation 4. JTAG connector tiêu chuan v_i ARM 2x10 pin dành cho viec lập trình và gỡ rối 5. USB connector 6. SD-MMC card, Audio, Microphone 7. user buttions x3 8. user leds x3 9. RS-232 connector 36
  4. Chương 4. Lập trình nhúng trên ARM 10. RESET button 11. status LED 12. 8 Mhz crystal oscillator 13. 32768 Hz crystal and RTC backup battery 14. extension headers for all uC ports 15. Kích thước: 90.67 x 73.54mm (3.56 x 2.89") Yêu cầu từ board phát triển :  Cáp USB 1.8m để nới với PC ( dành cho việc cấp nguồn hoặc giao tiếp  USB trong trường hợp dùng đến tính năng USB )  Phần cứng : ARM-JTAG, ARM-USB-OCD, ARM-USB-TINY or other ARM JTAG compatible tool.  Phần mềm : + free open source platform: GNU C compiler + OpenOCD and Eclipse (support all low cost Olimex JTAG debuggers) + commercial solution EW-ARM from IAR Systems AB, require expensive J-LINK debugger + CrossWorks from Rowley (supports all Olimex low cost JTAG debuggers). 4.2.2 Đặc tính STM32F103RDT6 - CPU clock up to 72Mhz - FLASH 384KB - RAM 64KB - DMA x12 channels - RTC - WDT - Timers x11+1 - SPI x2 - I2C x2 - USART x5 - USB x1 - CAN x1 (multiplexed with USB so both can't be used in same time) - GPIO up to 51 (multiplexed with peripherials) - 16 kênh ADC 12-bit, DAC x2 - operating voltage 2.0-3.6V - temperature -40C +85C RS232: STM32F103RDT6 have 3 USARTs which are available on the extension headers. One of them can operate up to 4.5 Mbit/s, the other two up to 2.25 Mbit/s. They provide hardware management of the CTS and RTS signals, IrDA SIR ENDEC support, are ISO 7816 compliant and have LIN Master/Slave capability.All USART interfaces can be served by the DMA controller. SPI: STM32F103RDT6 have 2 SPIs which able to communicate up to 18 Mbits/s in slave and master modes in fullduplex and simplex communication modes. The 37
  5. Chương 4. Lập trình nhúng trên ARM 3-bit prescaler gives 8 master mode frequencies and the frame is configurable from 8-bit to 16-bit. The hardware CRC generation/verification supports basic SD Card/MMC modes. Both SPIs can be served by the DMA controller. I2C: STM32F103RDT6 have two I²C bus interfaces which can operate in multi- master and slave modes. They can supportstandard and fast modes. They support dual slave addressing (7-bit only) and both 7/10-bit addressing in master mode. A hardware CRC generation/verification is embedded. They can be served by DMA and they support SM Bus 2.0/PM Bus. CAN: The STM32F103RDT6 CAN is compliant with specifications 2.0A and B (active) with a bit rate up to 1 Mbit/s. It can receive and transmit standard frames with 11-bit identifiers as well as extended frames with 29-bit identifiers. It has three transmit mailboxes, two receive FIFOs with 3 stages and 14 scalable filter banks.The CAN and USB share same pins PA11 and PA12, so you can’t use both CAN and USB on same time. USB: The STM32F103RDT6 embeds a USB device peripheral compatible with the USB Fullspeed 12 Mbs. The USB interface implements a full speed (12 Mbit/s) function interface. It has software configurable endpoint setting and suspend/resume support. The dedicated 48 MHz clock source is generated from the internal main PLL.The CAN and USB share same pins PA11 and PA12, so you can’t use both CAN and USB on same time. ADC: STM32F103RDT6 have two 12-bit Analog to Digital Converters which share up to 16 external channels, performing conversions in singleshot or scan modes. In scan mode, automatic conversion is performed on a selected group of analog inputs. Additional logic functions embedded in the ADC interface allow: - Simultaneous sample and hold - Interleaved sample and hold - Single shunt The ADC can be served by the DMA controller.An analog watchdog feature allows very precise monitoring of the converted voltage of one, some or all selected channels. An interrupt is generated when the converted voltage is outside the programmed thresholds. The events generated by the standard timers (TIMx) and the Advanced Control timer (TIM1) can be internally connected to the ADC start trigger, injection trigger, and DMA trigger respectively, to allow the application to synchronize A/D conversion and timers. Lưu ý: Tham khảo thêm tính năng của chíp ở tài liệu datasheet và User Manual. 38
  6. Chương 4. Lập trình nhúng trên ARM 4.2.3. Sơ đồ nguyên lý board 39
  7. Chương 4. Lập trình nhúng trên ARM 40
  8. Chương 4. Lập trình nhúng trên ARM 4.2.4 Hướng dẫn set jump cho board Nguồn cung cấp cho mạch 41
  9. Chương 4. Lập trình nhúng trên ARM Cấp nguồn ngoài Cấp nguồn từ USB ( DC 5V ) 42
  10. Chương 4. Lập trình nhúng trên ARM 43
  11. Chương 4. Lập trình nhúng trên ARM Nút Reset Nút WKUP Nút thoát khỏi trạng thái ngủ của STM32 Giao tiếp trực tiếp RS232 của ARM QUA USART1 44
  12. Chương 4. Lập trình nhúng trên ARM Thẻ nhớ SD giao tiếp trực tiếp SPI của ARM Header nạp và gỡ lỗi chương trình qua JTAG Hướng dẫn cấu hình DIP SW1 để nạp chương trình qua cổng USART1 với FLASH LOADER DEMOSTRATOR trên board OPENCMX-STM3210D Chức năng BOOT0 Nạp qua bootloader Chạy chương trình trong ARM 45
  13. Chương 4. Lập trình nhúng trên ARM 4.3. TẠO DỰ ÁN VỚI KEIL ARM Giới thiệu cách tạo mới dự án cho vi xử lý ARM Cortex-M3 STM32F103RC bằng Keil ARM. Cùng với đó là cách tích hợp bộ thư viện chuẩn CMSIS của ST dành cho dòng ARM này. 4.3.1. Bộ thư viện CMSIS ST cung cấp cho người dùng bộ thư viện chuẩn lập trình giao tiếp với thiết bị ngoại vi tương thích với chuẩn CMSIS. Thông qua bộ thư viện này, lập trình viên dễ dàng giao tiếp với các thiết bị phần cứng chuẩn của các dòng Cortex-M3 của ST. Thư viện được chia làm 2 phần: + phần hỗ trợ nhân Cortex-M3: bao gồm mã giao tiếp với nhân CPU, và đoạn mã start up code. + phần hỗ trợ các thiết bị ngoại vi: chứa toàn bộ các hàm thư viện điều khiển thiết bị ngoại vi của ST. Cấu trúc thư viện CMSIS như sau: * Lưu ý: Các hàm được viết và đặt tên theo chuẩn CMSIS, lập trình viên cần tuân theo các quy tắc của CMSIS khi sử dụng hàm, tránh viết lại các hàm truy cập thẳng vào phần cứng khi không cần thiết. 4.3.2. Khởi tạo dự án mới + Mở Keil IDE, chọn menu “Project->New uVision Project” để tạo dự án mới. Giả dụ đặt tên dự án mới này là 24h_Led. * Lưu ý: Thường khi tạo project mới hệ thống file quản lý dự án của Keil hay bố trí ở thư mục dự án, điều này dễ bị lẫn lộn với các file nguồn, ta nên tạo một thư mục con để quản lý các file dự án này. Chọn chip STM32F103RC cho board 46
  14. Chương 4. Lập trình nhúng trên ARM Hình 4.6 Khởi tạo dự án + Sau khi dự án mới được tạo, ta nên tổ chức lại hệ thống mã nguồn để dễ dàng theo dõi. Hình 4.7 Tổ chức thư mục mã nguồn Như hình 2 ở trên ta tạo 4 nhóm file, các nhóm “CMSIS”, “StdPeriph_Driver” và “Start up” sẽ là các files từ thư viện CMSIS của ST. * Lưu ý: Khi tạo mới dự án, Keil sẽ hỏi người dùng có sử dụng "start up code" sẵn có không. Chúng ta không sử dụng "start up code" này của Keil mà sẽ dùng của ST có trong bộ thư viện chuẩn. + Tích hợp thư viện CMSIS vào chương trình 47
  15. Chương 4. Lập trình nhúng trên ARM Chúng ta sẽ lần lượt tích hợp các thư mục trong thư viện vào dự án như sau: + Nhóm “CMSIS”: thêm file core_cm3.c ở thư mục “\Libraries\CMSIS\CM3\CoreSupport” và system_stm32f10x.c ở thư mục “\Libraries\CMSIS\CM3\DeviceSupport\ST\STM32F10x” + Nhóm “StdPeriph_Driver”: thêm các file liên quan đến điều khiển ngoạI vi, ở dự án này chúng ta cần điều khiển cổng GPIO, UART nên cần thêm các file: stm32f10x_gpio.c, stm32f10x_usart.c và stm32f10x_rcc.c ở thư mục “\Libraries\STM32F10x_StdPeriph_Driver\src”. + Nhóm “Start up”: thêm file startup_stm32f10x_hd.s ở thư mục “Libraries\CMSIS\CM3\DeviceSupport\ST\STM32F10x\startup\arm”. + Nhóm “User”: chứa file của người dùng, giả sử thêm file main.c của ta vào đây. 48
  16. Chương 4. Lập trình nhúng trên ARM * Lưu ý: Đối với nhóm StdPeriph_Driver, nên căn cứ vào nhu cầu điều khiển ngoại vi để thêm vào các file tương ứng, tránh thêm các file dư thừa vì làm tăng thời gian biên dịch và tốn tài nguyên hệ thống. + Khai báo thư mục thư viện cho dự án. Sau khi thêm các file cần thiết cho dự án, chúng ta chưa thể biên dịch thành công được vì còn thiếu đường dẫn tới các file khai báo thư viện CMSIS. Mở khung điều khiển cấu hình dự án Chọn tab “C/C++” Thêm các đường dẫn thư mục sau vào dự án: + \Libraries: thư mục chứa Libraries CMSIS + \Libraries\CMSIS\CM3\CoreSupport + \Libraries\CMSIS\CM3\DeviceSupport\ST\STM32F10x + \Libraries\STM32F10x_StdPeriph_Driver\inc * Lưu ý : Người dùng có thể thêm vào các đường dẫn thư mục khác của dự án 4.3.3. Cấu hình project Sau khi đã thêm các file cần thiết cho dự án, chúng ta phải thiết lập các thông số cơ bản để Keil có thể biên dịch ra file thực thi. + Để nạp chương trình xuống board , chúng ta cần cấu hình Keil biên dịch ra file hex (hoặc bin). Mở khung cấu hình dự án, chọn tab “Output”, check và ô “Create HEX File” 49
  17. Chương 4. Lập trình nhúng trên ARM + Để tiện sắp xếp tài nguyên của dự án, ta nên xếp các file tạm được sinh ra bởI Keil vào các thư mục riêng Tương ứng với các file object (tab Output) và linker (tab Listing) ta lưu trong thư mục “Obj” và “Lst” cho tiện theo dõi sau này. + Cần lưu ý là với bộ thư viện CMSIS, chúng ta sử dụng khá nhiều kỹ thuật “macro” trong lập trình. Có một số “macro” cần khai báo “define” sẵn trong dự án để có thể biên dịch thành công. 50
  18. Chương 4. Lập trình nhúng trên ARM * Lưu ý: Nếu sử dụng bộ thư viện chuẩn cho thiết bị ngoại vi, nên khai báo macro: USE_STDPERIPH_DRIVER. 4.3.4. Trình diễn + Nếu có sẵn board , chúng ta có thể nạp trực tiếp file .hex sau khi biên dịch xuống chíp thông qua Flash Downloader của ST bằng cổng COM. + Nếu không có board, chúng ta có thể xem bằng cách dùng Debug Simulator của Keil + Chạy Debug chương trình, mở cửa sổ theo dõi các thiết bị ngoại vi ở menu “Peripherals” chọn ngoại vi tương ứng, giả sử đó là Port C của GPIO. Bấm F10 (hoặc F11) để chạy debug từng dòng lệnh đồng thời theo dõi giá trị của Port C thay đổi. 4.4. CÁC BƯỚC NẠP CHƯƠNG TRÌNH B1: chuyển STM32 qua chế độ nạp bằng cổng USART1 nhờ vào DIP SW1 B2: Chạy chương trình nạp FLASH LOADER DEMOSTRATOR và thiết lập thông số như trong hình Bấm chọn Next NẾU HIỆN RA THÔNG BÁO NHƯ SAU 51
  19. Chương 4. Lập trình nhúng trên ARM Chú ý làm các bước như sau : 1. Rút nguồn cấp ra khỏi boad chờ sau 5s rùi cấp nguồn lại 2. Kiểm tra lại cáp COM 3. Kiếm tra lại DIP SW1 thiết lập STM32 ở bootloader đã đúng chưa? Nếu như bạn đã làm như các bước trên mà vẫn hiện ra thông báo đó thì có thể STM32 của bạn không vào được bootloarder hoặc chíp ARM của bạn đã fuse “WRITE PROTECT : ENABLE B2 : Nếu chương trình nhận ra bootloader từ ARM, lúc đó chương hiện ra thông báo như sau: Bạn bấm vào button “Next” Hoặc gặp thông báo cảnh báo Remove protection, khi đó bạn bấm vào button “Remove protection” Chờ cho chương trình xóa xong, bạn Nhấn “Close “ bạn chạy lại chương trình và làm lại như Bước 1 B3 : Khi bạn gặp thông báo 52
  20. Chương 4. Lập trình nhúng trên ARM Bạn bấm “Next” B4 : Bạn thiết lập thông số như trong hình dưới Bạn chọn file nạp bằng cách bấm vào nút “…” Khi đó bạn trỏ tới file hex mà bạn muốn nạp cho STM32. Xong bạn bấm button “Open”. Khi đó chương trình sẽ ra trở lại màn hình như sau. Nếu bạn muốn chương trình kiểm tra lại nội dung file nạp có đúng với nội dung của STM32 hay không bạn click chọn “Verify after download” B4: Bạn tiếp tục bấm “Next” Khi nạp xong chương trình thông báo: 53
nguon tai.lieu . vn
Kiến trúc - Xây dựng Tự động hoá Điện - Điện tử Kĩ thuật Viễn thông Cơ khí - Chế tạo máy Năng lượng Hoá dầu Hoá học Sinh học