на каком языке программируют микроконтроллеры
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++.
Digitrode
цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы
Современные языки программирования микроконтроллеров и встраиваемых систем
Современные тенденции программирования микроконтроллеров
В течение многих лет программирование микроконтроллеров предусматривало выбор между двумя языками: C и ассемблер. Но с появлением новых языков, доступных для микропроцессоров, пользователи сталкиваются с большим количеством решений для разработки приложений.
Какой язык лучше? Четкого ответа нет, потому что это зависит от приложения, над которым вы работаете. Чтобы помочь вам спланировать свое развитие, мы предлагаем некоторое исследование различных языков, доступных для использования с микроконтроллерами.
Языки программирования C и ассемблер
До того, как новые языки стали доступны для микроконтроллеров, были доступны два варианта: C и ассемблер. Давайте кратко рассмотрим их, прежде чем подробно осветить новые языки.
Си и сегодня является популярным языком микроконтроллеров, хотя он был разработан в начале 1970-х годов. Для использования с микроконтроллерами язык C хорошо работает, потому что он способен обрабатывать выделение памяти, а также выполнять относительно сложные функции, такие как операторы if, циклы и математические выражения.
Ассемблер предлагает альтернативу C с несколькими преимуществами. Ассемблер – это более старый язык, который часто использует код, специфичный для устройства, который преобразуется с помощью служебной программы. Используя этот язык, разработчик получает прямой доступ к процессору, где процедуры могут быть тщательно настроены для точного времени применения. Ассемблер предлагает лучшее использование процессора, а также дополнительные наборы инструкций, которые C не поддерживает, такие как битовые манипуляции с конкретными инструкциями.
MicroPython
Python – это многофункциональный интерпретируемый язык, известный своей простотой, понятностью и универсальностью. Эти функции также делают язык слишком большим для микроконтроллеров. Однако с помощью кампании на Kickstarter в 2013 году физик Дэмиен Джордж смог адаптировать Python в уменьшенную версию MicroPython, которая подходит для использования на микроконтроллере.
Код MicroPython является открытым исходным кодом под лицензией MIT. Язык работает на голом железе микропроцессора, используя небольшое подмножество функций стандартной библиотеки Python. Он может работать, используя только 256 КБ flash-памяти и 16 КБ ОЗУ, но при этом он хорошо совместим с обычным Python.
Первоначально разработанный для работы на системах на базе ARM, включая BBC micro:bit, Adafruit Circuit Playground Express и MicroPython PyBoard, он также стал доступен для других процессоров, включая ESP8266 и ESP32.
MicroPython дает преимущества при прототипировании сложных проектов. Например, на ESP8266 создание проектов Интернета вещей можно выполнить несколькими простыми вызовами функций, чтобы подключить проект на MicroPython к локальной точке Wi-Fi и начать потоковую передачу информации MQTT.
Blockly
Blockly – это библиотека программирования с открытым исходным кодом, поддерживаемая Google, целью которой является сделать код визуально логичным с помощью перетаскиваемых блоков.
Вместо того чтобы полагаться на слова и фразы языков программирования, которые не имеют смысла в обычном разговоре, пользователи помещают блоки в среду и соединяют их вместе, чтобы определить, как программа будет себя вести. Например, вместо написания оператора IF пользователи перетаскивают блок IF на нужное место, а результирующие действия также перетаскиваются внутри блока оператора IF.
После создания совокупности блоков пользователи могут экспортировать свой код Blockly в несколько языков, включая javascript, Python, PHP, Lua и Dart. Одним из преимуществ системы Blockly является то, что ошибки практически невозможны, поскольку блоки требуют определенных соединений и не позволяют соединяться несовместимым блокам.
Хотя этот метод программирования доступен на многих платформах, включая Micro Bit и Adafruit Circuit Playground Express, он не предназначен для использования в качестве конечного коммерческого продукта. Однако это очень полезно на этапах создания прототипа, особенно если требуется подтверждение концепции, а изучение особенностей устройства может занять слишком много времени (например, регистры, биты конфигурации и конфигурация IDE).
Arduino C++
Хотя его часто называют «языком программирования Arduino», Arduino фактически программируется на старом добром C++ и использует подмножество библиотек, специфичных для Arduino.
Отличия Arduino C++ от обычного C++ заключаются в подпрограммах для микроконтроллеров, поскольку стандартные функции библиотеки C++ не могут работать на ограниченных мощностях и памяти.
Использование такой уменьшенной версии C++ делает этот язык очень доступным, так как многие разработчики уже знакомы с обычным C++. Фактически, используя компилятор, код может быть написан на C++, а затем интерпретирован в код, который может использоваться Arduino.
Преимущество использования Arduino C++ состоит в том, что он подходит для коммерческих сред, работает быстрее, чем более крупные языки, такие как Python, и обладает высокой переносимостью. Компиляция кода на ядре ARM первоначально для Uno автоматически выполняется библиотекой с использованием универсальных функций.
BASIC
BASIC – это язык, который впервые появился в 60-х годах и достиг своего расцвета с появлением персональных компьютеров в 80-х годах. BASIC (аббревиатура для универсального символического кода инструкции для начинающих или Beginner’s All-Purpose Symbolic Instruction Code) по-прежнему используется до сих пор из-за своей простоты и интерпретируемой природы, которая позволяет разработчику сосредоточиться больше на оборудовании, а не на программном обеспечении.
При использовании на микроконтроллере BASIC интерпретируется, что приводит к снижению производительности. Тем не менее, язык имеет преимущество в том, что он очень переносим. Любой код, написанный на бейсике, будет работать на любом устройстве с интерпретатором бейсика.
Два примера использования BASIC на микроконтроллерах – это BASIC Stamp (производства Parallax) и PICAXE, которые производятся компанией PICAXE и используют микроконтроллеры PIC Microchip. BASIC является хорошим языком для создания прототипов и даже разработки аппаратного обеспечения, но его следует избегать в коммерческих продуктах из-за его низкой скорости и высокого энергопотребления.
Выводы
При работе с микроконтроллерами в прошлом разработчику приходилось выбирать предпочитаемую платформу, а затем изучать язык, который он использует. Благодаря достижениям в области языков и программного обеспечения, в наши дни язык иногда предопределяет, какую платформу использовать. Если разработчик ищет определенную функцию, такую как поддержка GPIO, сетевое взаимодействие, возможность связи по SSH или другие, то выбор языка и систем может быть важным фактором в поиске наилучшего пути развития.
Язык, который выбирают пользователи, важен, но всегда полезно помнить, что не существует такого понятия, как «единственный лучший язык» или «единственный лучший микроконтроллер». В конце концов, лучший выбор – это то, к чему призывает приложение.
Языки программирования для микроконтроллеров
Программирование для микроконтроллеров, как и программирование для универсальных компьютеров прошло большой путь развития от программирования в машинных кодах до применения современных интегрированных систем написания программ, отладки и программирования микроконтроллеров. В настоящее время исходный текст программы пишется на одном из языков программирования.
Сами языки программирования в свою очередь делятся на две группы:
К языкам программирования «низкого» уровня относятся языки программирования в которых каждому оператору соответствует не более одной машинной команды. Набор машинных команд каждого конкретного процессора обязательно входит в состав такого языка программирования. Языки программирования низкого уровня в настоящее время называются ассемблерами (старое название автокоды). Для каждого процессора существует своя группа ассемблеров. Ассемблеры для одного и того же процессора различаются между собой дополнительными возможностями, облегчающими программирование.
Языки программирования «высокого» уровня позволяют заменять один оператор несколькими машинными командами. Это позволяет увеличивать производительность труда программистов. Кроме того, языки «высокого» уровня позволяют писать программы, которые могут выполняться на различных микропроцессорах. (Естественно, что при этом необходимо использовать программы — трансляторы для соответствующего процессора.) В настоящее время наиболее распространены такие языки программирования высокого уровня как С и PLM
О преимуществах и недостатках языков высокого и низкого уровней говорилось достаточно много. Выбор языка программирования зависит от состава аппаратуры, для которой пишется программа, а также от требующегося быстродействия всего программно-аппаратного комплекса в целом.
В тех случаях, когда объём ОЗУ и ПЗУ мал (в районе нескольких килобайт) альтернативы ассемблеру нет. Именно эти языки программирования позволяют получать самый короткий и самый быстродействующий код программы (при прочих равных условиях, т.к. испортить можно всё!).
Языки программирования высокого уровня позволяют значительно сократить время создания программы, но при этом увеличивается размер программы, поэтому для выбора такого языка программирования для микропроцессорных систем необходимо иметь достаточно большой объём памяти программ (несколько десятков килобайт). Увеличение объёма программы связано с несколькими факторами:
Первый из этих пунктов постепенно утрачивает своё значение с появлением всё более совершенных трансляторов. Третий пункт тоже решается тем же путём при применении различных видов оптимизаторов, входящих в состав компилятора. Однако в большинстве случаев оптимизатор не может определить одинаковые действия, если они отличаются хотя бы одной командой. Кроме того, оптимизатор работает только в пределах одного модуля!
Виды программ-трансляторов
Процесс преобразования операторов исходного языка программирования в машинные коды микропроцессора называется трансляцией исходного текста. В настоящее время ручная трансляция программ практически не используется. Трансляция производится специальными программами-трансляторами. Их классификация приведена на рисунке 1.
Рисунок 1. Классификация программ-трансляторов языков программирования
Существует два больших класса программ-трансляторов: компиляторы и интерпретаторы. При использовании компиляторов весь исходный текст программы преобразуется в машинные коды, и именно эти коды записываются в память микропроцессора. При использовании интерпретатора в память микропроцессора записывается исходный текст программы, а трансляция производится при считывании из памяти программ очередного оператора. Естественно, что быстродействие интерпретаторов намного ниже по сравнению с компиляторами, т.к. при использовании оператора в цикле он транслируется многократно.
Применение интерпретатора может обеспечить выигрыш только в случае его разработки для языка программирования “высокого” уровня. В этом случае может быть сэкономлена внутренняя память программ, а также облегчен процесс отладки программ (при применении языка программирования BASIC) или облегчен перенос программ с одного типа процессора на другой (при применении языка программирования JAVA).
При программировании на языке программирования ASSEMBLER применение интерпретатора приводит к проигрышу по всем параметрам, поэтому для языков программирования низкого уровня применяются только программы–компиляторы.
Для программирования микроконтроллеров как на языке программирования “низкого” уровня, так и на языке программирования “высокого” уровня используются только компиляторы, поэтому рассмотрим подробнее виды этих трансляторов.
Виды компиляторов
Программы-компиляторы бывают оценочные и профессиональные.
Оценочные или учебные компиляторы позволяют написать простейшие программы для конкретного процессора и определить подходит ли процессор для тех задач, которые предстоит решать в процессе разработки устройства. Конечно, если программа очень проста, то можно весь программный продукт написать на оценочном компиляторе. Оценочные компиляторы позволяют транслировать одиночный файл исходного текста программы. Иногда такие компиляторы позволяют включать в процесс трансляции содержимое отдельных файлов специальной директивой. В результате работы оценочного компилятора сразу получается исполняемый или загрузочный модуль программы, поэтому такие компиляторы называются компиляторы с единой трансляцией.
Профессиональные трансляторы позволяют производить трансляцию исходного текста программы по частям. Это позволяет значительно сократить время трансляции исходного текста программы, так как не нужно транслировать весь текст программы, а можно транслировать только ту часть программы, которая менялась после предыдущей трансляции.
Кроме того, каждый программный модуль может писать отдельный программист. Это позволяет сократить время написания программы. Даже в том случае, если программу пишет один человек, время написания программы сокращается за счёт использования готовых отлаженных и оттранслированных программных модулей. В таких компиляторах процесс трансляции программы разбивается на два этапа: трансляция программного модуля и связывание программных модулей в единую программу. Поэтому такие компиляторы называются компиляторами с раздельной трансляцией.
Профессиональные компиляторы разрабатываются и продаются отдельными фирмами. Для микроконтроллеров семейства MCS-51 получили известность продукты таких фирм как FRANCLIN, IAR, KEIL.
В состав современных средств написания и отладки программ для микроконтроллеров обычно входят эмуляторы процессоров или отладочные платы, текстовый редактор, компиляторы языка высокого уровня (чаще всего «C») и ассемблера, редактор связей и загрузчик программы в отладочную плату. Все программы обычно объединены интегрированной средой разработки программного проекта, позволяющую поддерживать один или несколько программных проектов.
Понравился материал? Поделись с друзьями!
Вместе со статьей «Языки программирования для микроконтроллеров» читают:
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.