на каком языке пишут программы для микроконтроллеров

Микроконтроллеры Процессоры, проекты, программирование

Nav view search

Навигация

Искать

Языки программирования микроконтроллеров

Языки программирования микроконтроллеров по своей структуре мало отличаются от классических языков для компьютеров. Единственным отличием становится ориентированность на работу со встроенными периферийными устройствами. Архитектура микроконтроллеров требует, например, наличия битово-ориентированных команд. Последние позволяют выполнять работу с отдельными линиями портов ввода/вывода или флагами регистров. Подобные команды отсутствуют в большинстве крупных архитектур. Даже ядро ARM, активно применяемое в микроконтроллерах, не содержит битовых команд, вследствие чего разработчикам пришлось создавать специальные методы битового доступа.

Ассемблер

Ассемблер является языком самого низкого уровня. При этом он позволяет наиболее полно раскрыть все возможности микроконтроллеров и получить максимальное быстродействие и компактный код. В некоторых случаях альтернативы ассемблеру нет, но тем не менее он имеет множество недостатков. Несмотря на получаемую компактность машинного кода, программа, написанная на языке Ассемблер, громоздка и труднопонимаема. Для ее создания требуется отличное знание архитектуры и системы команд микроконтроллеров.
Ассемблер отлично подходит для программирования микроконтроллеров, имеющих ограниченные ресурсы, например 8-ми битных моделей с малым объемом памяти. Для больших программ и тем более 32-разрядных контроллеров, лучше использовать другие языки, отличающиеся более высоким уровнем. Это позволит создавать более сложные и при этом понятные программы.

Язык программирования С/С++, относится к языкам более высокого уровня, по сравнению с Ассемблером. Программа на этом языке лучше понятна человеку. Достоинством С/С++ является огромное число программных средств и библиотек, позволяющих просто создавать необходимый код. Фактически, С/С++ сегодня стал основным языком разработки управляющих программ. Компиляторы данного языка реализованы практически для всех моделей микроконтроллеров. Стандартный язык дает возможность переноса программ с одной платформы на другую. Теоретически, используя разные компиляторы, можно преобразовать любую программу в команды микроконтроллера нужного типа. На практике дополнительно требуется учитывать архитектуру микроконтроллера каждого типа.
Язык С/С++ имеет достаточно сложную для изучения структуру. Получаемый программный код конкретной задачи, имеет больший объем, чем код той же задачи, реализованной на Ассемблере. Тем не менее язык С/С++ следует признать единственным правильным выбором для профессионального программирования микроконтроллеров.

Pascal

Язык Pascal еще более удобен для восприятия и изучения. Тем не менее, он не имеет такого распространения как C/C++, особенно при программировании микроконтроллеров. Некоторые отдельные фирмы поддерживают данный язык, с целью упрощения перехода на контроллеры с больших ПК. В частности вариант языка под названием MicroPASCAL входит в состав поставки отладочных средств фирмы Mikroelektronika.

BASIC

Старинный язык первоначального обучения программированию, в настоящее время в основном сохранился в виде реализации Visual BASIC от Microsoft. Используется он и для программирования микроконтроллеров. Реализаций этого языка гораздо больше, чем того же Pascal. Связано это в первую очередь с простотой языка. BASIC часто выбирают разработчики программно-аппаратных платформ, нацеленных на упрощенную разработку электронных устройств. Можно назвать такие проекты, как PICAXE, Amicus18, microBASIC и некоторые другие. Недостатком BASIC является плохая структурированность кода. Этот язык не стоит выбирать для первоначального изучения с целью дальнейшего перехода на С/С++. Программирование микроконтроллеров на BASIC можно рекомендовать любителям, не нацеленным на создание, в основном, простых устройств.

Визуальные языки

В отличие от классических языков программирования, визуальные языки позволяют разрабатывать программы в виде изображений. Среди таких языков можно выделить FlowCODE или Scratah. Достоинством визуальных языков является хорошо воспринимаемая структура алгоритма. Это позволяет просто разобраться в его функционировании любому человеку, знающему основные символы языка. Перевод структурных схем в команды микроконтроллера, как правило, выполняется не сразу. Вначале алгоритм транслируется в команды ассемблера или какого-либо языка высокого уровня. Только затем, все преобразуется в машинный код. Такая схема, несмотря на свою сложность, позволяет использовать наиболее удобные компиляторы разных разработчиков.

Еще одним достоинством визуального программирования становится простота изучения, поэтому подобные языки часто используются для обучения детей. Недостатком визуального подхода является громоздкость исходных материалов. Тем не менее, подобные языки программирования нашли очень большое распространение для решения специальных задач.

Заключение

Выбор того или иного языка программирования зависит от множества факторов. В первую очередь необходимо определиться с типом решаемых задач и необходимым качеством кода. Если не требуется разработка объемных и сложных программ, то можно использовать практически любой язык. Для обеспечения компактности кода подойдет Ассемблер, а если ставятся серьезные задачи, то альтернативы С/С++ практически нет. Также необходимо учитывать доступность компилятора. В некоторых случаях, реализация языка может вообще отсутствовать, или предлагаться за солидные деньги. В итоге самым универсальным решением можно назвать связку Ассемблера и C/C++.

Источник

Путь программиста микроконтроллеров

Людей, работающих с программной частью микроконтроллеров, редко причисляют к классическим разработчикам ПО. Всё дело в том, что помимо софтверных знаний, им требуются ещё кое-какие сведения об используемом железе. Многих программистов такие знания не касаются вовсе.

Плюс, разработчик приложений или сайтов всегда подсознательно стремится к триумфу. Создание уникального и популярного продукта является той отметкой, разделяющей карьеру на нормальную и успешную. А создавая программу для микроконтроллера, вы вряд ли будете думать об общественной оценке вашего вклада. Впрочем, давайте по порядку.

Возраст

Начнём с главного: когда уже (ещё) можно начать прокладывать свой путь в профессию? Ответ предсказуем: чем раньше, тем лучше. И изобилие специальных наборов для детей к этому располагает. Даже дело не в том, что с возрастом вам будет сложнее перестраиваться и обучаться этой дисциплине. Просто опыт, как и во многих других IT-профессиях, здесь играет решающее значение.

Но не всё так плохо. Всё же в России этот рынок не очень развит. Начав путь разработчика ПО для МК после 30, вы сможете сделать неплохую карьеру в какой-то одной сфере или конкретном месте деятельности. Если, конечно, не пытаться стать «многостаночником». Всегда бывают исключения, но многое зависит от вашей прошлой деятельности. Наверное, стоит принять во внимание, что даже 10 лет в этой профессии не впечатляют работодателя.

Знания

Кроме того, будет очень полезным знание ассемблера. Это необходимо для пошагового отслеживания исполнения кода, чтобы избежать плавающих ошибок и неоправданных потерь в быстродействии.

Еще один совет: постигать все эти знания необходимо на практике. Начать можно с дешёвых, но эффективных готовых плат со всей необходимой обвязкой, вроде Arduino или Raspberry Pi, которые в будущем наверняка станут для вас хорошими помощниками. А уже потом, если возникнет желание, поиграть с периферией.

Литература

Это означает, что абсолютно любой человек может взять, прочитать её и через несколько мгновений организовать стандартное мигание “светодиодами”. Но даже с 50 годами стажа вы не сможете сесть за незнакомый микроконтроллер и, не читая документацию, сделать с ним что-то полезное (придётся, как минимум взглянуть на расположение контактов и их назначение по умолчанию).

Работа

Если вам действительно нравится идея программировать микроконтроллеры, создавая уникальные современные гаджеты, то найти вакансии себе по душе не составит труда. Люди данной профессии востребованы, причём как в стартапах, так и в крупных прогосударственных структурах, в том числе военных.

Финансово трудно придётся новичкам (до 1 года опыта): зарплата в районе 20 тыс. рублей в месяц для программиста МК. Это вполне реальная цифра в регионах. Зато если вы живёте в столице, у вас есть опыт работы с популярным видом МК (от 3 лет активной деятельности) и голова на плечах, то вполне можно рассчитывать и на 150 тыс. рублей в месяц. В целом, не сказать, что конкуренция за места у данных разработчиков высокая, но с течением времени она неизбежно растёт.

И кстати

В любом случае, прежде чем осознанно встать на эти рельсы, займитесь программированием МК в качестве хобби. Сделайте “умной” свою комнату или дом, повторите несколько экспериментов из популярных блогов, опубликуйте собственные достижения, посвятите этому делу мозги и душу. И если не возникнет ощущения “колхоза”, то. добро пожаловать в клуб!

Людей, работающих с программной частью микроконтроллеров, редко причисляют к классическим разработчикам ПО. Всё дело в том, что помимо софтверных знаний, им требуются ещё кое-какие сведения об используемом железе. Многих программистов такие знания не касаются вовсе.

Плюс, разработчик приложений или сайтов всегда подсознательно стремится к триумфу. Создание уникального и популярного продукта является той отметкой, разделяющей карьеру на нормальную и успешную. А создавая программу для микроконтроллера, вы вряд ли будете думать об общественной оценке вашего вклада. Впрочем, давайте по порядку.

Возраст

Начнём с главного: когда уже (ещё) можно начать прокладывать свой путь в профессию? Ответ предсказуем: чем раньше, тем лучше. И изобилие специальных наборов для детей к этому располагает. Даже дело не в том, что с возрастом вам будет сложнее перестраиваться и обучаться этой дисциплине. Просто опыт, как и во многих других IT-профессиях, здесь играет решающее значение.

Но не всё так плохо. Всё же в России этот рынок не очень развит. Начав путь разработчика ПО для МК после 30, вы сможете сделать неплохую карьеру в какой-то одной сфере или конкретном месте деятельности. Если, конечно, не пытаться стать «многостаночником». Всегда бывают исключения, но многое зависит от вашей прошлой деятельности. Наверное, стоит принять во внимание, что даже 10 лет в этой профессии не впечатляют работодателя.

Знания

Кроме того, будет очень полезным знание ассемблера. Это необходимо для пошагового отслеживания исполнения кода, чтобы избежать плавающих ошибок и неоправданных потерь в быстродействии.

Еще один совет: постигать все эти знания необходимо на практике. Начать можно с дешёвых, но эффективных готовых плат со всей необходимой обвязкой, вроде Arduino или Raspberry Pi, которые в будущем наверняка станут для вас хорошими помощниками. А уже потом, если возникнет желание, поиграть с периферией.

Литература

Это означает, что абсолютно любой человек может взять, прочитать её и через несколько мгновений организовать стандартное мигание “светодиодами”. Но даже с 50 годами стажа вы не сможете сесть за незнакомый микроконтроллер и, не читая документацию, сделать с ним что-то полезное (придётся, как минимум взглянуть на расположение контактов и их назначение по умолчанию).

Работа

Если вам действительно нравится идея программировать микроконтроллеры, создавая уникальные современные гаджеты, то найти вакансии себе по душе не составит труда. Люди данной профессии востребованы, причём как в стартапах, так и в крупных прогосударственных структурах, в том числе военных.

Финансово трудно придётся новичкам (до 1 года опыта): зарплата в районе 20 тыс. рублей в месяц для программиста МК. Это вполне реальная цифра в регионах. Зато если вы живёте в столице, у вас есть опыт работы с популярным видом МК (от 3 лет активной деятельности) и голова на плечах, то вполне можно рассчитывать и на 150 тыс. рублей в месяц. В целом, не сказать, что конкуренция за места у данных разработчиков высокая, но с течением времени она неизбежно растёт.

И кстати

В любом случае, прежде чем осознанно встать на эти рельсы, займитесь программированием МК в качестве хобби. Сделайте “умной” свою комнату или дом, повторите несколько экспериментов из популярных блогов, опубликуйте собственные достижения, посвятите этому делу мозги и душу. И если не возникнет ощущения “колхоза”, то. добро пожаловать в клуб!

Источник

Языки программирования: на каком языке говорит робот?

Язык, на котором говорит робот (не важно, игрушка, робот-пылесос или медицинское оборудование), – это машинный код, набор знаков двоичной системы. Он сложен и малопонятен для человека. Писать на нем программы, то есть закладывать поведение робота, иррационально. Поэтому коммуникация между роботом и человеком происходит по такой схеме:

1. Человек пишет программу на языке программирования.

2. Написанный текст – код программы – проходит через «переводчиков»: компиляторы, интерпретаторы или трансляторы. Они преобразуют язык программирования в машинный код, понятный роботу.

Представьте, что вы хотите что-то объяснить итальянцу через переводчика. Ваш русский язык – это язык программирования, итальянский – это машинный код, ну а переводчик, соответственно, – транслятор, компилятор или интерпретатор.

3. Переведенная в машинный код программа попадает в «мозг» роботу. Роль «мозга» может играть схема, чип, микроконтроллер, микрокомпьютер или компьютер. Чем сложнее задачи будет решать робот, тем совершеннее должен быть его «мозг».

Видели собачек в детском магазине, которые начинают лаять, когда вы приближаетесь? В таких игрушках установлена электронная схема с простейшей логикой либо чип. Робот выполняет простейшие действия. Например, двигается по заданной траектории или воспроизводит записанный звук. Для более сложных задач уже потребуется микроконтроллер.

Низкоуровневые и высокоуровневые языки программирования

Сейчас используют несколько сотен языков программирования, которые можно разделить на две большие группы: низкого уровня и высокого.

Языки низкого уровня появились в начале 50-х гг. XX века, с их помощью программировать стало легче, чем на машинном коде. Используются они и сегодня и просто незаменимы в тех случаях, когда робот должен подчиняться строгому контролю. Но при работе с ними есть сложность. Для одного и того же действия, выполняемого роботами разной конструкции, нужно писать отдельную программу. Захват для роботоруки и робота-экскаватора будет выглядеть по-разному.

С языками высокого уровня – более развитыми и удобными для человека – такой проблемы нет. Особенности конструкции роботов не играют значимой роли, и одну и ту же команду выполнит любой из них. Но программы на таких языках весят гораздо больше, поэтому их пишут только для устройств с большим объемом памяти.

Мы можем договариваться с микроконтроллером через транслятор, и тогда, скорее всего, придется программировать на низкоуровневом языке. Если у микроконтроллера будет плата типа Arduino, то можно перейти на более «человеческий» высокоуровневый язык. Однако робот с несколькими типами управления запросто может оказаться полиглотом: его создатель будет сочетать разные языки для выполнения разных задач.

Мы подобрали пять языков, которые в тренде у робототехников.

Топ-5 языков программирования в робототехнике

Чтобы рассказать подробно о нашей пятерке лидеров, понадобится написать не одну книгу. Поэтому мы решили отметить основные особенности – этого достаточно, чтобы вы имели общее представление о языке и поняли, почему он оказался в топе.

Для наглядности покажем, как выглядит программа, написанная на разных языках. С нее начинается любое обучение программированию – на мониторе или на ЖК-экране контроллера должна появиться надпись Hello, world.

Assembly («Ассемблер»)

Относится к языкам низкого уровня, который максимально приближен к машинному коду. С появлением микроконтроллеров подобных Arduino язык стал применяться реже, поскольку микроконтроллеры поддерживают управление роботами на более высоком уровне, используя C/C++ и другие языки.Однако не стоит списывать со счетов «Ассемблер» – он в буквальном смысле незаменим, если требуется абсолютный контроль. Объяснить роботу особое условие другим языком в некоторых случаях просто не получится.

Идея использования Java заключается в применении одного и того же кода на разных роботах благодаря виртуальной машине Java. На самом деле это не всегда работает и приводит к медленному исполнению программы, которая пытается донести код до робота. Ведь виртуальная машина сначала должна создать «образ» того, как будет работать данная программа на определенном роботе. Это занимает достаточное количество времени, а само исполнение происходит с задержкой. При этом язык довольно популярен в робототехнике из-за своей универсальности, а некоторые производители даже делают микроконтроллеры специально для программирования на Java.

Язык часто применяют для роботов, связанных с веб-технологиями. Например, в системе «умный дом» (правда, в этом случае используют JavaScript, но принцип похож) или в машине, которая снимает видео и транслирует его в интернет.

Саймон Риттер – евангелист Java и один из создателей, является лучшим специалистом по использованию Java-технологии в мире робототехники. Он разработал Robotics Software Development Kit и регулярно показывает новые роботизированные системы.

MATLAB

Среди инженеров-робототехников популярен язык MATLAB со своей средой и его родственники с интерпретаторами с открытым исходным кодом, например Octave.

Чтобы запрограммировать игрушечную машинку, высокоуровневый MATLAB не нужен. А вот для разработки компьютерного зрения будет в самый раз. Программы, написанные на этом языке, могут обрабатывать большое количество информации и давать точный результат.

Python

Язык высокого уровня Python ценят за простоту и экономию времени, например при определении и приведении типов переменных.

Кроме того, существует огромное количество уже готовых написанных скриптов – кодов выполнения программы. Когда нужно реализовать некоторые базовые функции, можно воспользоваться готовым решением. Также язык допускает простые привязки со скриптами, написанными на C/C++. Это означает, что на этих языках могут быть реализованы части кода, требующие высокой производительности. Таким образом Python стал универсальным практически в любой области.

Популярность языка в робототехнике в последние годы только растет. Он, к примеру, часто используется для программирования на Raspberry Pi. Этот микрокомпьютер просто создан для экспериментов и разработки IoT-устройств. Тем более для Python существует множество библиотек, где есть готовые решения для базовых программ. Благодаря несложному и интуитивно понятному синтаксису даже дети и новички могут легко создавать роботов на Python.

«Си» сочетает удобство написания высокоуровневых языков и контроль низкоуровневых. Лучше многих других языков транслируется в машинный код, но обладает непростым синтаксисом и не прощает ошибок. Даже одна неверная строчка нового кода может нарушить работу уже действующих программ. Кстати, программы в универсальном робототехническом языке (сокращенно GRL – Generic Robot Language) компилируются на таких языках команд, как С.

Высокоуровневый C++ сложен на начальных этапах программирования, но если вы его освоите, то сможете применять практически для любых задач.

C++ используется для:

В «Робиксе» мы используем платы Arduino, которые программируются на языке C++ с дополнениями. Поэтому на занятиях по робототехнике наши ученики знакомятся еще и с логикой программирования «Си плюс-плюс».

на языке С:

на языке С++

Неважно, чем вы занимаетесь: программированием микроконтроллеров на «Ассемблере» или написанием программ на «Питоне», каждый из этих языков хорош для определенных манипуляций. Они имеют разный синтаксис и учитывают разные условия.

Представим, что сегодня мы с вами роботы. Перед нами стоит задача-программа: «Встать с кровати и выйти в дверной проем».

Если бы писали программу на Python, то для нас, роботов, она выглядела бы так:

На C++ она выглядела бы совершенно по-другому:

(Создать объект «комната»)

(Создать объект «кровать»)

Можно бить по клавишам, а можно играть мелодию. Выбирая язык, задумайтесь, что должен учитывать ваш робот при исполнении программы

Вместо заключения

Основное отличие между обычным программированием и программированием роботов заключается в том, что программист только пишет код, а робототехник еще взаимодействует с механикой, электроникой и окружающей реальностью.

Робототехник всегда должен следить за окружающей его реальностью. Меняются обстоятельства, соответственно, меняются и показания датчиков. Камера робота может перестать распознавать цвета и объекты, и все это нужно предусмотреть

Легче всего простейшие алгоритмы и логика языков даются в детстве. В «Робиксе» мы обучаем основам программирования даже дошкольников. Наши ученики начинают со Scratch, знакомясь с программированием в игровой форме, и дальше осваивают более сложные языки Python и C++. Ребята с увлечением создают собственные игры, роботов, а заодно готовятся к «взрослому» миру, где языки программирования в ряде отраслей уже давно перешли в разряд must have, а дальше их, может, и вовсе заменит искусственный интеллект. И понимание алгоритмов работы компьютера, умение ориентироваться в механике, электронике и сопутствующих технологиях – хороший набор навыков для профессии будущего.

Источник

Программирование современных микроконтроллеров: лекция 1

Конспект первой лекции по программированию современных микроконтроллеров на примере STM32 и операционной системы RIOT. Лекции читаются в Институте информационных технологий МИРЭА по субботам, с 12:50 в актовом зале на 4 этаже корпуса Д. В занятиях отводится 1,5 часа на саму лекцию и 3 часа на практические занятия в лаборатории IoT Академии Samsung по теме лекции.

Привет, Гиктаймс! Как мы и обещали, начинаем публикацию конспектов лекций, которые сейчас читаются в Институте ИТ МИРЭА. По результатам первой, вводной лекции мы решили немного изменить структуру курса — вместо планировавшихся двух потоков по 5 занятий будет один поток на 7 занятий. Это позволит в более спокойном темпе разобрать ряд вспомогательных вопросов, а также статьи с конспектом будут появляться на GT каждую неделю в течение всего марта и апреля, а не через неделю, как планировалось раньше.

Тем не менее, в семь лекций невозможно полностью уложить столь обширную тему, поэтому местами изложение будет тезисным — хотя для компенсации этого мы постараемся указывать, в какую сторону смотреть тем, кто хочет самостоятельно глубже разобраться в том или ином вопросе.

Курс рассчитан на студентов второго и третьего курсов, знакомых с языком C и базовыми понятиями электроники и электротехники. Предварительное знакомство с микроконтроллерами не требуется.

Цель курса — освоение навыков, позволяющих свободно работать с микроконтроллерами на ядре ARM Cortex-M на современном уровне и, при наличии такого желания, двигаться в сторону дальнейшего углубления своих знаний.

Сегодняшняя лекция — первая, поэтому на ней будут разбираться общие понятия: что такое вообще микроконтроллер и зачем он нужен, что такое прошивка и как она получается, зачем нам нужна операционная система, и наконец — как работать с git. Результат практического занятия — собственный репозитарий на GitHub с исходными кодами ОС, а также успешно настроенная среда сборки на локальном компьютере.

Микроконтроллер

Если говорить коротко, то микроконтроллер — это классический пример «системы на чипе», включающей в себя как процессорное ядро, так и набор вспомогательных и периферийных устройств, позволяющий микроконтроллеру во многих случаях быть полностью самодостаточным.

В типовом микропроцессоре, подобном тому, что стоит в любом ПК или смартфоне, практически все модули, которые можно отнести к вспомогательным (питание, тактирование, даже базовые периферийные устройства), вынесены за пределы самого чипа, несмотря на то, что работать без них микропроцессор не может.

В микроконтроллере же, наоборот, на одном кристалле с ядром реализованы не только необходимые для его работы подсистемы, но и масса периферийных устройств, которые могут потребоваться в различных практических задачах. Более того, многие производители микроконтроллеров соревнуются друг с другом не по производительности ядра или объёму памяти, а по обилию и функциям периферийных устройств.

Микроконтроллеры уже достаточно давно развиваются параллельно с микропроцессорами — так, до сих пор встречающаяся в промышленных изделиях архитектура Intel 8051 была разработана в 1980 году. В каких-то моментах линии их развития начинают пересекаться с микропроцессорами — так, старшие модели микроконтроллеров имеют интерфейсы для внешнего ОЗУ, а производители микропроцессоров интегрируют на кристалл всё больше периферийных устройств (достаточно вспомнить, что на заре «персоналок» даже кэш-память набиралась внешними микросхемами) — но в любом случае они остаются двумя существенно отличающимися ветвями развития.

Собственно, целью создания микроконтроллеров была возможность удешевления и миниатюризации различных устройств, требующих некоторой небольшой вычислительной мощности: использование одного чипа, на который для его работы достаточно просто подать питание, существенно упрощает разработку и производство печатной платы по сравнению с набором из 4-5 отдельных чипов.

Разумеется, у микроконтроллера есть свои ограничения — технически невозможно упаковать в один кристалл то, что в большом ПК занимает половину немаленькой платы.

Память

В общем случае внутри микроконтроллера может быть четыре вида памяти:

Нетрудно заметить, что все четыре вида памяти, о которых мы говорили, занимают очень небольшой кусочек карты — а на большей части картинки расположился перечень всех имеющихся в контроллере периферийных устройств.

Регистры

Дело в том, что всё — вообще всё — общение со всеми периферийными устройствами микроконтроллера и всеми его настройками осуществляется с помощью всего двух операций:

Так, например, если мы хотим, чтобы на третьей ножке порта А микроконтроллера (PA2, нумерация идёт с нуля) появилась «1», нам надо записать «1» в третий бит регистра, расположенного по адресу 0x4002014. А если эта ножка настроена как вход и мы, наоборот, хотим узнать, какое на ней значение — нам надо прочитать третий бит регистра по адресу 0x40020010.

Да, чтобы указать контроллеру, входом или выходом является эта ножка — надо записать соответствующие значения в соответствующие биты по адресу 0x40020000.

Это — важный момент в понимании работы микроконтроллера: абсолютно всё, что не является вычислительными операциями, за которые отвечает само ядро процессора, осуществляется с помощью записи или чтения того или иного регистра. Какие бы библиотеки не были наворочены в вашей программе сверху — в конечном итоге всё сводится к регистрам.

Разумеется, работать с числовыми адресами довольно неудобно, поэтому для каждого микроконтроллера на ядре Cortex-M существует библиотека CMSIS (Cortex Microcontroller Software Interface Standard), самый важный компонент которой для нас — заголовочный файл, описывающий имеющиеся в конкретном контроллере регистры и дающий им относительно человекочитаемые имена.

С использованием CMSIS описанные выше операции с ножкой PA будут выглядеть так:

Все названия регистров и значения полей в них описаны в документе, который можно считать Библией программиста микроконтроллеров — Reference Manual (он, разумеется, свой для каждого семейства контроллеров, ссылка дана на RM0038, соответствующий семейству STM32L1). Отмечу, что более чем 900 страниц RM0038 — это не очень большой объём информации, легко можно встретить контроллеры с руководствами по 1500-2000 страниц. Вряд ли есть кто-то, помнящий хотя бы треть такого руководства наизусть, но умение быстро в нём ориентироваться — обязательное качество для хорошего программиста.

Разумеется, этот код — лишь условно человекопонятный. Использование буквенных названий вместо адресов радикально снижает процент ошибок в коде и увеличивает его читаемость, но всё ещё крайне далеко от того, что большинство людей назовёт «нормальным» кодом.

Понимая это, производители контроллеров начали выпускать вспомогательные библиотеки, собирающие наборы обращений к регистрам в функции — например, если при работе с регистрами напрямую для включения какого-либо такового генератора вам надо сделать два действия (поставить в 1 бит, включающий генератор, и подождать, пока в 1 встанет флаг, индицирующий, что генератор вышел на режим), то в функции включения генератора в такой библиотеке они будут объединены.

В случае с STM32 основная библиотека называется Standard Peripherals Library, она же StdPeriphLib, она же SPL. Помимо неё, существует выпускаемая ST библиотека LL, и ряд сторонних библиотек — например, LibOpenCM3. Сторонние библиотеки часто поддерживают и контроллеры других производителей, но в силу распространённости STM32 они обычно оказываются на первом месте.

Так, при использовании SPL обращения к регистрам, которые мы совершали, чтобы зажечь светодиод, превратятся в обращения к функциям GPIO_Init и GPIO_Write.

Впрочем, нельзя не заметить, что среди профессиональных разработчиков отношение к SPL — двойственное.

С одной стороны, SPL позволяет значительно быстрее набросать «скелет» проекта, особенно при использовании графических средств конфигурирования контроллера, таких как STM32 CubeMX. При этом код будет довольно хорошо (настолько, насколько у них совпадает набор периферийных устройств и возможностей, которыми вы пользуетесь) переноситься между разными контроллерами семейства STM32.

С другой стороны, как показывает практика, в сложном проекте нет вопроса «что делать, если что-то будет работать не так» — в нём есть вопрос «что делать, когда всё будет работать не так». В SPL, как и в любой библиотеке, могут быть ошибки, кроме того, логика разработчиков SPL может не совпадать с вашим представлением о том, что должно происходить с контроллером при тех или иных действиях — в результате при попадании в такую ситуацию вам всё равно придётся открывать исходники SPL и смотреть, что конкретно там происходит на уровне регистров. На практике это может иногда занять времени не меньше, чем написание нужной вам функциональности с нуля.

Кроме того, библиотеки, выпущенные конкретным производителем чипов, хоть и позволяют в каких-то пределах мигрировать между чипами этого производителя, но перескочить, например, с STM32L1 на ATSAMD21 с кодом, написанным для SPL, у вас не получится при всём желании.

Не всегда помогает SPL и читаемости кода — в программах, написанных с её использованием, нередко можно увидеть простыни размером в полстраницы, состоящие из одних только вызовов SPL.

Наконец, SPL решает лишь одну проблему — абстрагирования от «железа» и работы с регистрами. Однако по мере развития проекта вы столкнётесь ещё с несколькими, например:

Несмотря на то, что ОС требует для своего существования дефицитных ресурсов контроллера (обычно 5-20 КБ постоянной памяти и ещё столько же оперативной), преимущества использования ОС настолько велики, что на данный момент в профессиональной разработке для встраиваемых систем около 70 % проектов используют ту или иную ОС.

Строго говоря, на нижнем уровне ОС может использовать вендорские библиотеки, подобные SPL. Однако в рамках нашего курса мы будем работать с RIOT OS, нижнеуровневый код которой для семейства STM32 написан на регистрах — работу с SPL же мы затрагивать не будем вообще.

Причина этого проста: хотя в целом мы будем изучать работу ОС и контроллера на верхнем уровне, но в тех случаях, когда мы захотим углубиться в детали их функционирования, нам всё равно придётся спускаться на уровень регистров, и прослойка в виде SPL довольно сильно бы этому мешала. Освоив же общие принципы работы с контроллерами, при желании с функционированием SPL вы сможете разобраться самостоятельно, тем более, что абсолютное большинство учебников по STM32, доступных онлайн, построены на её базе.

Операционная система

В виде максимально упрощённой схемы ОС можно представить как набор компонентов, выстроенных в определённую иерархию:

Точнее, если вспоминать фразу Артура Кларка про технологии, неотличимые от магии, то это мышлении можно скорее назвать псевдомагическим, переформулировав афоризм как «любая технология, достаточно хорошо спрятанная от пользователя, становится неотличима от магии».

На самом деле, разумеется, никакой особенной функции меню в Arduino IDE, как и в любой другой IDE, не несёт — это лишь графическая оболочка для доступа к некоторым совершенно стандартным функциям и особенностям современных программных систем.

Если мы посмотрим на то, как выглядит RIOT OS в виде набора файлов на диске, то без труда опознаем разложенные по папочкам компоненты системы: HAL лежит в папке cpu (и если мы её откроем, то увидим описания для десятков различных микроконтроллеров, от AVR до PIC32), описания построенных на этих контроллерах плат — boards, драйверы внешних устройств — drivers, ядро ОС — core, системные и вспомогательные сервисы ОС — sys, пользовательские приложения — examples.

Один из важных моментов, который отличает микроконтроллеры от больших систем — то, что практически всегда (а в нашем случае совсем всегда) пользовательские приложения существуют не как отдельные файлы, загружаемые независимо от ОС, а компилируются вместе с ОС, всем набором драйверов и модулей в единый файл, загружаемый в память микроконтроллера. Причин этому несколько — начиная с отсутствия необходимости в отдельной загрузке приложений, что позволяет упростить всю систему, и заканчивая наличием необходимости собирать ОС и комплект драйверов и модулей под конкретное устройство ради экономии его отнюдь не бесконечной памяти.

Исходные коды ОС

Мы будем работать с исходными кодами в версии https://github.com/unwireddevices/RIOT/tree/mirea — это ответвление от основной разработки RIOT OS, в котором силами Unwired Devices улучшена поддержка микроконтроллеров STM32L1, а также добавлены некоторые полезные сервисы, например, таймеры на базе часов реального времени, включая миллисекундный таймер.

Исходные коды можно загрузить с Github, выбрав кнопку «Clone/Download» и «Download ZIP», но лучшим вариантом будет создание собственного репозитория. Для этого зарегистрируйтесь на GitHub, после чего вернитесь в указанный выше репозиторий и нажмите кнопку «Fork» — исходные коды будут скопированы в ваш аккаунт, откуда вы сможете уже без проблем работать с ними.

Я не буду описывать здесь детали работы с GitHub и Git — в интернете есть масса отличных пошаговых руководств, повторять которые нет смысла.

Компиляция простейшего приложения

Благодаря тому, что ОС берёт на себя всё взаимодействие с микроконтроллером, простейшее возможное приложение в общем-то ничуть не сложнее, чем традиционный «Hello world» на большом ПК:

В структуре нашей ОС это приложение располагается в папке example/hello-world в файле main.c (оно там уже есть).

Однако, очевидно, чтобы его скомпилировать, необходимо сначала настроить среду сборки. Это делается по-разному в разных ОС.

1. Windows 8 и старее. К сожалению, придётся использовать среду MinGW, медленную и неудобную. Процедура установки нужных компонентов достаточно подробно описана здесь. Отмечу, что для работы с Git/GitHub придётся также отдельно поставить Git for Windows, который притащит свою урезанную версию MinGW. При желании всё это можно свести в один терминал MinGW, но проблем с очень низкой скоростью работы MinGW и общим его неудобством это не решит.

В целом, Windows 7 и Windows 8, как можно понять, являются не самым удачным выбором для разработки.

2. Windows 10. Откройте магазин Microsoft Store, найдите в нём Ubuntu и установите. Если при первом запуске Ubuntu будет ругаться на выключенный компонент Windows, откройте системное приложение «Включение или отключение компонентов Windows», найдите там «Поддержка Windows для Linux» и включите.

Вся дальнейшая работа происходит в среде Ubuntu, значительно более комфортной и быстрой, нежели MinGW.

Скачайте компилятор и сопровождающие его утилиты отсюда (внимание: вам нужна 64-битная версия для Linux!), откройте Ubuntu, распакуйте архив и укажите системе пути к нему:

Для работы с Git вам потребуется сгенерировать пару из приватного и публичного ключей командой ssh-keygen, после чего скопировать публичный ключ (в Ubuntu под Windows это можно сделать командой cat

/.ssh/id_rsa.pub, потом выделить выведенное мышкой и нажать Enter — оно скопируется в буфер обмена) и добавить его в ваш аккаунт GitHub. После этого можно будет работать с GitHub из командной строки командой git.

NB: если вы ранее не работали в командной строке Linux, то обратите внимание на два полезных момента: курсорные стрелки вверх и вниз позволяют листать историю введённых команд, а клавиша Tab дополняет набранный вами путь к файлу или папке до конца (то есть cd /opt/gcc- превратится в строку cd /opt/gcc-arm-none-eabi-7-2017-q4-major). Последнее служит также хорошей проверкой, правильно ли вы набираете путь — если неправильно, дополнен он по очевидной причине не будет. Если возможных вариантов дополнения несколько, то двойное нажатие Tab выведет их все.

NB: в Windows вам будет удобнее работать, если сами исходные коды ОС размещаются в папке, напрямую доступной из Windows, например Documents/git/RIOT. Из-под MinGW она будет доступна по пути /c/Users/vasya/Documents/git/RIOT, из-под Ubuntu — /mnt/c/Users/vasya/Documents/git/RIOT. В этом случае вы сможете свободно пользоваться для работы с кодом, например, текстовыми редакторами, написанными для Windows, такими как Notepad++.

3. Linux. Установка среды сборки ничем не отличается от инструкции для Windows 10, кроме того, что Microsoft Store вам не потребуется. Также не ищите gcc-arm-none-eabi в репозитории вашего дистрибутива — скачайте наиболее свежую версию с его официального сайта.

После установки среды сборки откройте консоль, перейдите в папку с RIOT и в подпапку examples/hello-world, после чего запустите команду make.

Скорее всего, она быстро прервётся ошибкой и сообщением, что у вас не хватает unzip (под Windows 10 по умолчанию он не устанавливается), make или других утилит. В Windows 10 их можно установить командой (перечень недостающего даётся простым списком через пробел):

После установки попробуйте ещё раз запустить make — точнее, оптимальным вариантом является вызов команды «make clean && make»: первая очищает мусор, оставшийся от предыдущей попытки. Без ней компилятор может ошибочно решить, что какой-то из уже собранных модулей не менялся, и не пересобирать его — в результате вы получите прошивку, собранную из кусков старого и нового кода.

NB: в оригинальном RIOT приложение hello-world собирается для архитектуры native, то есть, в нашем случае ноутбука или десктопа, x86. Однако в нашем коде в параметрах сборки проекта уже указана плата unwd-range-l1-r3, использующая контроллер stm32, поэтому в начале процедуры вы должны увидеть строку

В случае успеха за ней вы увидите десяток-два строчек, начинающихся с команды make — это сборка отдельных компонентов операционной системы. Закончится всё сообщением об успешном создании файла прошивки mirea.elf с указанием размеров различных типов данных (объёмов используемой флэш-памяти и ОЗУ).

Итак, мы немного разобрались с тем, как выглядит микроконтроллер, скачали исходные коды нашей ОС, настроили среду сборки и убедились, что она работает.

На следующем занятии мы рассмотрим подробнее устройство микроконтроллера, начиная с портов GPIO, и загрузим в него первое приложение — оно, по старой традиции, будет мигать светодиодом — а далее вернёмся к операционной системе и внимательнее изучим, из каких компонентов она состоит и как настраивается её сборка.

Источник