ОМПТ-2. Часть 1

Фирма STMicroelectronics
В настоящее время фирма STM - ведущий мировой производитель п/п продукции для микроэлектроники. В компании работает более 53000 человек в 14 производственных предприятиях в 10 странах мира.
Ассортимент продукции:
аналоговые и смешанные микро-схемы, усилители и компараторы, диоды, устройства электромагнитной фильтрации, встроенные микропро-цессоры, микроконтроллеры, мо-дули памяти, преобразователи тока, модули питания, транзисторы, программное обеспечение и т.д.
Наиболее востребованной продукцией на рынке микроэлектроники данной фирмы являются ее МК!

Фирма ARM Limited
ARM Limited - известная британская компания в области информационных технологий.
“ARM” - Advanced RISC Machines (усовершенствованная RISC-машина).
ARM Limited - один из крупных мировых разработчиков и лицензиаров 32- и 64-разрядной архитектуры RISC-процессоров, которыми оснащается большинство портативных устройств.
Особенность: компания не занимается производством микропроцессоров, а лишь разрабатывает и лицензирует свою технологию другим сторонам. В частности ARM-архитектура микроконтрол-леров закупается такими производителями: Atmel, Intel, Apple, nVidia, HiSilicon, Marvell, Samsung, Sony Ericsson, Texas Instruments, STMicroelectronics и др.
Особенности архитектуры x86 и ARM
В МПТ, с точки зрения состава команд, существует две основные архитектуры: CISC (x86) и RISC (ARM), каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.
CISC - Complex Instruction Set Computer (компьютер с полным [сложным] набором команд). Большое количество сложных по своей структуре команд сначала декодируются в простые, и только затем обрабатываются. На всю эту последовательность действий уходит немало энергии.
RISC - Reduced Instruction Set Computer (компьютер с сокращенным набором команд). Т.е. име-ется небольшой набор простых команд, которые обрабатываются с минимальными затратами энергии и с достаточно высокой производительностью.
В практической реализации каждая из этих архитектур подвергается модификации с целью повы-шения характеристик процессора при решении конкретных задач.
В технической литературе процессор, являющийся частью цифрового устройства, реализованного на кристалле, называется ядром (Core).

Краткая характеристика серий микроконтроллеров STM32

В настоящее время STM32 производит около 300 вариантов МК, которые можно классифицировать по 2 признакам: критерию оптимизации и используемому ARM-ядру.
По критерию оптимизации:
- с пониженным энергопотреблением (энергосберегающие) STM32L0/1/4;
- с оптимальным соотношением производительности, энергопотребления и цены (базовые серии) STM32F0, STM32F1 и STM32F3);
- с высокой производительностью STM32F2/F4/F7/H7.
По используемому ARM-ядру:
- с ARM-ядром Cortex-M0 (STM32L0/F0);
- с ARM-ядром Cortex-M3 (STM32L1/F1/F2);
- с ARM-ядром Cortex-M4 (STM32L4/F3/F4);
- с ARM-ядром Cortex-M7 (STM32F7/H7).
Приведенные выше обозначения – это обозначение серии МК. В обозначении конкретной модели добавляются цифры и буквы.
Так, далее мы будем изучать МК типа STM32F410RB, относящийся к высокопроизводи-тельным МК с ARM-ядром Cortex-M4.
Классификация серий микроконтроллеров STM32

Основные характеристики ядра Cortex-M4 микроконтроллеров STM32

Микроконтроллер STM32F410RBТ
• Ядро ARM 32‑битное Cortex-M4.
• Частота тактирования: 168 МГц.
• Поддержка DSP-инструкций.
• Новая высокопроизводительная многоуровневая AHB-матрица шин (пере-ключение данных и команд, включая потоки данных от ПДП, между ЦП, ПУ и разными видами памяти).
• До 1 Mбайт флэш-памяти с ускорителем памяти (ART-Accelerator), обеспечивает работу с флэш-памятью с такой же скоростью, что и с ОЗУ.
• До 192 + 4 кбайт SRAM-памяти (статической оперативной памяти), включая область резервного питания.
• Напряжение питания: 1,8–3,6 В. Режимы пониженного энергопотребления: Sleep, Stop, Standby. Резервное (батарейное) питание.
• Внутренние RC-генераторы на 16 МГц и 32 кГц (для Real Time Clock - RTC).
1. Характеристики семейства STM32F4xx:

• Внешний источник тактирования 4–26 МГц и для RTC — 32,768 кГц.
• Модули отладки SWD/JTAG, модуль ETM.
• Аппаратный генератор случайных чисел (Random number generator - RNG).
• Часы реального времени (Real Time Clock - RTC).
• Модуль шифрования (позволяет «на лету» реализовать различные алгоритмы шифрования информации).
• Эффективная система прерываний по внутренним (от ПУ) и внешним событиям.
• До трех 12‑битных АЦП на 24 входных канала.
• До двух 12‑битных ЦАП.
• ПДП-контроллер на 16 потоков с поддержкой пакетной передачи (DMA - Direct Memory Access).
Характеристики семейства STM32F4xx
(продолжение):

• До 17 таймеров (16 и 32 разряда). Некоторые оснащены каналами входного захвата и выходного сравнения (ШИМ), соответственно IC – input capture, OC – Output compare (PWM). Один или два таймера способны реализовать функции “Motion Control”.
• Два сторожевых таймера (WDG и IWDG).
• Коммуникационные интерфейсы: I2C, USART, SPI, I2S, CAN (2,0), USB 2.0.
• Интерфейс Ethernet.
• Контроллер карт памяти SDIO.
• Интерфейс цифровой камеры.
• Контроллер внешней статической памяти и графических дисплеев FSMC.
• Порты ввода/вывода общего назначения (GPIO - General-Purpose Input Output). Все ПУ связаны с внешним миром через порты (альтернативная функция портов).
Особенность: большая часть линий портов в режиме цифрового ввода может генерировать запрос на прерывание.
• Расширенный температурный диапазон: –40…105 °C.
Характеристики семейства STM32F4xx
(продолжение):

Режимы пониженного напряжения:
Режим Sleep. Только ядро останавливает свою работу. Вся периферия продолжает работать и пробуждает ЦП по наступлению определенного прерывания или события.
Режим Stop. Все тактирование в зоне 1,2 В останавливается. Все схемы высокочастотного тактирования отключаются. В данном режиме МК продолжает работать от низкоскоростных источников тактирования. Состояние SRAM и регистров при этом сохраняется. ЦП переходит в рабочий режим по заранее сконфигурированному событию.
Режим Standby. Обеспечивает самое низкое потребление. Питание 1,2 В полностью отключается. Данные SRAM и регистров не сохраняются, за исключением резервного домена и резервной SRAM. Для выхода из режима необходимо прерывание от часов РВ, общий сброс или возрастающий фронт на ножке WKUP.
Характеристики семейства STM32F4xx
(продолжение):

2. Функциональная схема STM32F4xx

3. Порты ввода/вывода общего назначения
(GPIO – General Purpose Input/Output)
1) Порты I/O выполняют обмен информацией с внешними устройствами в парал-лельном коде.
2) В STM32F410RBТ четыре порта I/O: GPIOA, GPIOB, GPIOС, GPIOН. Порты разной разрядности: GPIOA, GPIOB, GPIOС по 16 выводов, GPIOН – 2 вывода. Остальные 14 линий (из 64-х в корпусе)– питание, системные входы.

3) Назначение выводов, не относящихся к портам:
VSS/VDD – цифровая земля/цифровое питание;
VBAT – дополнительное батарейное питания (для резервной области питания);
NRST – двунаправленная линия системного сброса (RESET)
VSSA/VREF- – аналоговая земля/минусовой вывод опорного напряжения АЦП и ЦАП;
VDDA/VREF+ – аналоговое питание/ плюсовой вывод опорного напряжения АЦП и ЦАП;
VCAP_1 – вывод для подключения внешнего конденсатора для внутреннего регулятора напряжения;
BOOT0 – вход, определяющий режим МК после сброса: запуск/загрузка ПО.
4) Основные режимы работы портов : "Цифровой ввод/вывод" (ЦВ/В), "Перифе-рийный ввод/вывод" (ПВ/В).
ПВ/В - альтернативная функция портов – возможность использования линий портов как входных/выходных линий внутренних ПУ.
Альтернативная функция (АФ) может быть аналоговой и цифровой.

5) Основные свойства портов ввода/вывода
До 16 линий ввода/вывода могут находиться под управлением порта;
Для каждой линии любого порта можно выбрать свою скорость тактирования;
«На лету» можно менять режим работы линии порта. На смену режима уходит около двух тактов.
Механизм блокировки, приводящий к «замерзанию» конфигурации линии I/O, т.е. ее нельзя изменить в процесс работы;
Гибкое мультиплексирование позволяет использовать линии I/O как GPIO или как одну из нескольких АФ;
Большинство выводов I/O толерантны к + 5 В.
Выходные цифровые состояния: двухтактное (push-pull), с открытым стоком (open drain) и с подтягивающими резисторами вверх/вниз (pull-up/pull-down);
Входные цифровые состояния: плавающее (floating), или Z-, высокоимпедан-сное состояние; вход с подтягивающими резисторами вверх/вниз (pull-up/pull down);
С помощью коротких команд и специальных регистров можно производить индивидуальную модификацию выходного состояния любой лини порта.
Большая часть линий портов в режиме цифрового ввода может генерировать запрос на прерывание.

6) ПЛМ портов I/O:
- GPIOx_MODER – регистр режима работы;
GPIOx_OTYPER – задания типа выхода;
GPIOx_OSPEEDR – регистр задания частоты тактирования каждого вывода;
GPIOx_PUPDR – регистр управления подтягивающими резисторами;
- GPIOx_IDR – регистр входных данных;
- GPIOx_ODR – регистр выходных данных;
- GPIOx_BSRR – регистр установки/сброса разрядов (линий) порта;
GPIOx_LCKR – регистр блокировки конфигурации порта;
GPIOx_AFRL – нижний регистр альтернативной функции;
GPIOx_AFRH – верхний регистр альтернативной функции.
х – имя порта ( = A, B, С, Н).
Количество регистров управления портами (8 шт.) говорит о сложности и многофункциональности портов ввода-вывода в МК.

7) Описание регистров ПЛМ портов I/O
Регистры GPIO 32-битные, но доступны байтами, полусловами (16 бит) и словами. Формат регистров позволяет настроить каждую линию или модифицировать ее состояние индивидуально. В состав ПЛМ портов входит 10 регистров. После сброса АФ неактивны (кроме АФ отладки), а все линии портов настроены на цифровой ввод.
Регистр режима (GPIOx_MODER) (x = A, В, C, H) – задает режим работы линий (разрядов) порта х.
Биты (2у+1):2у – MODERy[1:0]: биты режима порта х (у=0…15).
00: цифровой вход (или АФ отладки); 10: режим АФ;
01: цифровой выход; 11: аналоговый режим (ДФ-доп. ф-ция).
Значение при сбросе: 0х0С00 0000 для порта А,
0х0000 0280 для порта В,
0х0000 0000 для портов С и Н.
Ненулевые разряды регистра после сброса настраивают соответствующие линии портов А и В в АФ как выводы интерфейса отладки.

Регистр типа выхода (GPIOx_OTYPER)
Биты 31:16 – резерв, всегда читаются как 0х0000.
Биты 15:0 – ОТу: биты конфигурации линий порта х (у=0…15)
0: выход push-pull (РР); 1: выход с открытым стоком (OD).
Регистр скорости выхода (GPIOx_OSPEEDR)
Биты (2y+1):2y – OSPEEDRy[1:0]: Биты настройки скорости выходов порта х (y = 0..15).
00: низкая скорость (8 МГц); 10: высокая скорость (50 МГц);
01: средняя скорость (25 МГц); 11: очень высокая скорость (100 МГц).
Конкретные цифры в datasheet. В скобках значения при VDD>2,7 V
Значение при сбросе: 0x0C00 0000 для порта A,
0x0000 00C0 для порта B,
0x0000 0000 для портов С и Н.
Регистр подтягивания вверх/вниз (pull-up/pull-down) линий порта (GPIOx_PUPDR)
Биты (2y+1):2y – PUPDRy[1:0] Биты настройки порта х (y = 0..15)
00: нет подтягивания; 10: подтягивание вниз;
01: подтягивание вверх; 11: резерв.
Значения при сбросе: 0x6400 0000 для порта A;
0x0000 0100 для порта B;
0x0000 0000 для портов С и Н.

Таблица конфигурации разрядов портов I/O

Регистр входных данных (GPIOx_IDR)
Биты 31:16 – резерв. Биты 15:0 – IDRy: входные данные порта х (y = 0..15).
Эти биты только читаются и только в режиме слова. Они содержат логические состоя-ния на входе соответствующего порта, которые могут определяться как внешними источ-никами (разряды настроены на цифровой ввод), так и состояниями выходного регистра данных порта (разряды настроены на цифровой вывод).
Значения при сбросе: 0x0000 ХХХХ (х - неопределенное значение).
Почему такое начальное состояние?
Регистр выходных данных (GPIOx_ODR)
Биты 31:16 – резерв. Биты 15:0 – ODRy: выходные данные порта х (y = 0..15).
Эти биты могут быть прочитаны и записаны в программе.
Регистр установки/сброса (set/reset) битов (GPIOx_BSRR)
Биты 31:16 – BRy: Бит сброса разряда у порта х (y = 0..15).
Эти биты только записываются: в режиме слова, полуслова или байта.
0/1 => Нет воздействия/сброс одноименного бита у в регистре вых. данных ODRx;
Биты 15:0 – BSy: Бит установки разряда y порта х (y= 0..15).
Эти биты только записываются: в режиме слова, полуслова или байта.
0/1 => Нет воздействия/установка одноименного бита у в регистре вых. данных ODRx.
Замечание - Если оба бита BSу и BRу установлены, то BSу имеет приоритет.
Чтение этих бит всегда возвращает 0x0000 0000 (одноразовое действие).

Регистр блокировки конфигурации линии порта (GPIOx_LCKR)
В процессе работы МК режимы каких-то линий портов могут меняться, Чтобы при этом случайно не изменился режим других линий, требуется их защита. Для этого - регистр блокировки конфигурации GPIOx_LCKR).
Каждому выводу порта соответствует (по номеру) бит блокировки LCK0 – LCK15. При установке бита у в 1 запрещается изменение заданного режима и соответствующей конфигурации линии у данного порта.
В процессе инициализации ПО после задания всех нужных битов регистра блокировки необходимо активизировать защиту. Для этого в 16-й бит регистра блокировки (LCKK) последовательно записывают 1, 0, 1. Запись должна производиться 32-битным словом. При этом состояние битов 15:0 не должно меняться, иначе блокировка сбрасывается. После этого защита будет действовать, и изменение конфигурации и режима защищенных битов (линий порта) будет игнорироваться вплоть до сброса МК.
Биты 31:17 - резерв;
Бит 16 – LCKK: ключ блокировки;
Этот бит можно прочитать в любой момент времени. Он может быть модифицирован, только используя последовательность записи ключа блокировки.
0: Ключ блокировки конфигурации порта не активен;
1: Ключ блокировки конфигурации порта активен.
Биты 15:0 – LCKy: бит блокировки разряда у порта х (у=0…15).
Эти биты можно прочитать/записать, но записаны они м.б, только когда бит LCKK=0.
0: Конфигурация разряда у порта х не защищена;
1: Конфигурация разряда у порта х защищена.

Нижний/верхний регистры альтернативной функции GPIO (GPIOx_AFRL)/ (GPIOx_AFRH)
В МК серии TMS320F4xx (с учетом дальнейших разработок) предусмотрено 16 АФ. Для задания номера этой функции требуется 4 двоичных разряда (тетрада). Теоретически к каждой линии порта м.б. подключена любая из 16 АФ. => Для задания каждой линии порта своей АФ необходимо 4*16=64 разряда. Эти разряды распределены между двумя 32-битными регистрами GPIOx_AFRL (нижним) и GPIOx_AFRH (верхним).
В нижнем регистре тетрады AFRL7:AFRL0 задают АФ линиям 7:0 порта, а в верхнем регистре тетрады AFRН7:AFRН0 задают АФ соответственно линиям 15:8 порта.
Подключение АФ к той или иной линии порта осуществляется двумя (на младший и старший байты порта), мультиплексорами 16*8, управляемыми соответственно нижним и верхним регистрами альтернативной функции.
В каждом конкретном МК – свой (в соответствии с набором ПУ) набор АФ.
Для обоих регистров значение при сбросе: 0x0000 0000 (т.е. настройка на АФ0).
EVENTOUT - выходное событие ядра МК (Cortex®-M4 с FPU), для активации других ЦП в многопроцессорных МПСУ.

Однако к настоящему времени данный мультиплексор еще не соответствует требованию «на любой вывод – любую АФ». К каждой линии портов через МUХ подкреплены свой набор АФ, причем в разных портах эти наборы также отличаются.
Чтобы правильно использовать АФ, необходимо смотреть техдокументацию на конкретный МК (datasheet), где подобная информация представлена. В нашем случае она – в раздаточных материалах к лабораторным работам.
Дополнительная функция
Дополнительная функция – аналоговый режим работы линий портов. В этом случае цифровой мультиплексор не задействован, и аналоговые каналы (входные для АЦП и выходной для ЦАП) жестко привязаны к соответствующим линиям портов:
Замечание 1 – 1-я цифра в наименовании аналогового канала говорит о номере АЦП. В данном семействе их может быть три. В данном МК есть только один АЦП – первый.
Замечание 2 - Использование и настройку линий РС13-РС15 и РН0, РН1, предусмотренных для организации внутренних и внешних ГТИ, опускаем. Их лучше в своих программах не использовать. Их настройка будет выполняться в системных библиотечных файлах, добавленных в ваш проект

Базовая структура разряда порта I/0, толерантного +5 В

10) Операции над отдельными разрядами регистров ПЛМ портов I/O. Рекомендации к программам.
Часто в МПСУ приходится устанавливать или анализировать отдельные разряды: настройка режимов работы ПУ, оценка состояния ПУ или отдельных линий портов ввода.
Однако прямых операций над битами в том компиляторе CИ и в том наборе библиотек, которые мы используем, нет.
Но аналогичные операции можно выполнить, используя операции маскирования.
Маскирование это:
- модификация одного или нескольких битов в регистре без изменения состояния других его битов с помощью слова-маски;
- выделение одного или нескольких битов в регистре с обнулением других его битов с помощью слова-маски.
Модификация бита: установка в ноль, в единицу, инвертирование.
В основе – логические операции.

В файле «STM32f1410rx.h» для каждого разряда портов и регистров ПУ прописана своя 16-/32-битная слово-маска.
Пример 1: маски разрядов выходного регистра данных
Бит 0 - GPIO_ODR_OD0 =0x0001
Бит 1 - GPIO_ODR_OD1 =0x0002
Бит 2 - GPIO_ODR_OD2 =0x0004
-------------------------------------------
Бит 15 - GPIO_ODR_OD15 =0x8000
Для входного регистра данных: ODR --> IDR, OD --> ID.
Пример 2: маски разрядов регистра установки/сброса (32 бита)
Бит BS0 - GPIO_BSRR_BS0 =0x0000 0001
Бит BS1 - GPIO_BSRR_BS1 =0x0000 0002
Бит BS2 - GPIO_BSRR_BS2 =0x0000 0004
------------------------------------------------------
Бит BS15 - GPIO_BSRR_BS15 =0x0000 8000
Бит BR0 - GPIO_BSRR_BR0 =0x0001 0000
Бит BR1 - GPIO_BSRR_BR1 =0x0002 0000
Бит BR2 - GPIO_BSRR_BR2 =0x0004 0000
------------------------------------------------------
Бит BR15 - GPIO_BSRR_BR15=0x8000 0000
10) Операции над отдельными разрядами регистров ПЛМ портов I/O. Рекомендации к программам (продолжение).

Обобщенные выражения для операций маскирования над одним разрядом:
Установка в 1 бита у регистра REG порта х:
GPIOх->REG |= GPIO_REG_NAMEy;
Инверсия бита у регистра REG порта х:
GPIOх->REG ^= GPIO_REG_NAMEy;
Сброс в 0 бита у регистра REG порта х:
GPIOх->REG &=~ GPIO_REG_NAMEy;
В данных выражениях представлены слева направо имена: порта, регистра, разряда.
Формирование меандра программным способом на линии 5 порта GPIOC. Варианты
- использованием регистра установки и сброса:
while (1)
{
GPIOC->BSRR |= GPIO_BSRR_BS5; // установка в 1 бита BS5, т.е. 5-го бит порта С.
for (i=0; i<800; i++) // программная задержка.
asm("nop");
GPIOC->BSRR |= GPIO_BSRR_BR5; // установка в 1 бита BR5, что сбрасывает
// 5-й бит порта С.
for (i=0; i<800; i++) // программная задержка.
asm("nop");
}
10) Операции над отдельными разрядами регистров ПЛМ портов I/O. Рекомендации к программам (продолжение).

записью в порт соответствующего числа и нуля;
while (1)
{
GPIOC->ODR = 0x0020; // недостаток?
for (i=0; i<800; i++)
asm("nop");
GPIOC->ODR = 0x0000; // недостаток?
for (i=0; i<800; i++)
asm("nop");
}
- установкой бита в 1 и обнулением бита;
while (1)
{
GPIOC->ODR |= GPIO_ODR_OD5;
for (i=0; i<800; i++)
asm("nop");
GPIOC->ODR &=~ GPIO_ODR_OD5;
for (i=0; i<800; i++)
asm("nop");
}
10) Операции над отдельными разрядами регистров ПЛМ портов I/O. Рекомендации к программам (продолжение).

- установкой бита в 1 и инверсией бита;
while (1)
{
GPIOC->ODR |= GPIO_ODR_OD5;
for (i=0; i<800; i++)
asm("nop");
GPIOC->ODR ^= GPIO_ODR_OD5;
for (i=0; i<800; i++) {
asm("nop"); }
}
- одной инверсией бита (!)
while (1)
{
GPIOC->ODR ^= GPIO_ODR_OD5;
for (i=0; i<800; i++)
asm("nop");
}
10) Операции над отдельными разрядами регистров ПЛМ портов I/O. Рекомендации к программам (продолжение)..

Работа с кнопкой пользователя (PC13)
while (1)
{
if(GPIOC->IDR & GPIO_IDR_ID13) //анализ маскирования разряда PC13
{
GPIOC->ODR ^= GPIO_ODR_OD5;
for (i=0; i<800; i++)
}
else GPIOC->ODR &=~ GPIO_ODR_OD5;
}
10) Операции над отдельными разрядами регистров ПЛМ портов I/O. Рекомендации к программам (продолжение).