Микроконтроллер и Bootloader. Описание и принцип работы

Arduino.ru

Среда разработки Arduino состоит из встроенного текстового редактора программного кода, области сообщений, окна вывода текста(консоли), панели инструментов с кнопками часто используемых команд и нескольких меню. Для загрузки программ и связи среда разработки подключается к аппаратной части Arduino.

Скачать

Программа, написанная в среде Arduino, называется скетч. Скетч пишется в текстовом редакторе, имеющем инструменты вырезки/вставки, поиска/замены текста. Во время сохранения и экспорта проекта в области сообщений появляются пояснения, также могут отображаться возникшие ошибки. Окно вывода текста(консоль) показывает сообщения Arduino, включающие полные отчеты об ошибках и другую информацию. Кнопки панели инструментов позволяют проверить и записать программу, создать, открыть и сохранить скетч, открыть мониторинг последовательной шины:

Verify/Compile
Проверка программного кода на ошибки, компиляция.

Stop
Остановка мониторинга последовательной шины(Serial monitor) или затемнение других кнопок.

New
Создание нового скетча.

Open
Открытие меню доступа ко всем скетчам в блокноте. Открывается нажатием в текущем окне.

Примечание: из-за наличия ошибки в Java данное меню не может прокручиваться; при необходимости открыть скетч из этого списка проследуйте в меню File | Sketchbook.

Save
Сохранение скетча.

Upload to I/O Board
Компилирует программный код и загружает его в устройство Arduino. Описание загрузки приведено ниже.

Serial Monitor
Открытие мониторинга последовательной шины (Serial monitor).

Дополнительные команды сгруппированы в пять меню: File, Edit, Sketch, Tools, Help. Доступность меню определяется работой, выполняемой в данный момент.

Edit

Copy for Discourse
Копирует в буфер обмена подходящий для размещения на форуме код скетча с выделением синтаксиса.

Copy as HTML
Копирует код скетча в буфер обмена как HTML код, для размещения на веб-страницах.

Sketch

Verify/Compile
Проверка скетча на ошибки.

Import Library
Добавляет библиотеку в текущий скетч, вставляя директиву #include в код скетча. Подробная информация в описании библиотек ниже (Libraries).

Show Sketch Folder
Открывает папку, содержащую файл скетча, на рабочем столе.

Add File.
Добавляет файл в скетч (файл будет скопирован из текущего места расположения). Новый файл появляется в новой закладке в окне скетча. Файл может быть удален из скетча при помощи меню закладок.

Tools

Auto Format
Данная опция оптимизирует код, например, выстраивает в одну линию по вертикали открывающую и закрывающую скобки и помещает между ними утверждение.

Board
Выбор используемой платформы. Список с описанием платформ приводится ниже.

Serial Port
Меню содержит список последовательных устройств передачи данных (реальных и виртуальных) на компьютере. Список обновляется автоматически каждый раз при открытии меню Tools.

Burn Bootloader
Пункты данного меню позволяют записать Загрузчик (Bootloader) в микроконтроллер на платформе Arduino. Данное действие не требуется в текущей работе с Arduino, но пригодится, если имеется новый ATmega (без загрузчика). Перед записью рекомендуется проверить правильность выбора платформы из меню. При использовании AVR ISP необходимо выбрать соответствующий программатору порт из меню Serial Port.

Блокнот (Sketchbook)

Средой Arduino используется принцип блокнота: стандартное место для хранения программ (скетчей). Скетчи из блокнота открываются через меню File > Sketchbook или кнопкой Open на панели инструментов. При первом запуске программы Arduino автоматически создается директория для блокнота. Расположение блокнота меняется через диалоговое окно Preferences.

Закладки, Файлы и Компиляция

Позволяют работать с несколькими файлами скетчей (каждый открывается в отдельной закладке). Файлы кода могут быть стандартными Arduino (без расширения), файлами С (расширение *.с), файлами С++ (*.срр) или головными файлами (.h).

Загрузка скетча в Arduino

Перед загрузкой скетча требуется задать необходимые параметры в меню Tools > Board и Tools > Serial Port. Платформы описываются далее по тексту. В ОС Mac последовательный порт может обозначаться как dev/tty.usbserial-1B1 (для платы USB) или /dev/tty.USA19QW1b1P1.1 (для платы последовательной шины, подключенной через адаптер Keyspan USB-to-Serial). В ОС Windows порты могут обозначаться как COM1 или COM2 (для платы последовательной шины) или COM4, COM5, COM7 и выше (для платы USB). Определение порта USB производится в поле Последовательной шины USB Диспетчера устройств Windows. В ОС Linux порты могут обозначаться как /dev/ttyUSB0, /dev/ttyUSB1.

После выбора порта и платформы необходимо нажать кнопку загрузки на панели инструментов или выбрать пункт меню File > Upload to I/O Board. Современные платформы Arduino перезагружаются автоматически перед загрузкой. На старых платформах необходимо нажать кнопку перезагрузки. На большинстве плат во время процесса будут мигать светодиоды RX и TX. Среда разработки Arduino выведет сообщение об окончании загрузки или об ошибках.

При загрузке скетча используется Загрузчик (Bootloader) Arduino, небольшая программа, загружаемая в микроконтроллер на плате. Она позволяет загружать программный код без использования дополнительных аппаратных средств. Загрузчик (Bootloader) активен в течении нескольких секунд при перезагрузке платформы и при загрузке любого из скетчей в микроконтроллер. Работа Загрузчика (Bootloader) распознается по миганию светодиода (13 пин) (напр.: при перезагрузке платы).

Библиотеки

Библиотеки добавляют дополнительную функциональность скетчам, например, при работе с аппаратной частью или при обработке данных. Для использования библиотеки необходимо выбрать меню Sketch > Import Library. Одна или несколько директив #include будут размещены в начале кода скетча с последующей компиляцией библиотек и вместе со скетчем. Загрузка библиотек требует дополнительного места в памяти Arduino. Неиспользуемые библиотеки можно удалить из скетча убрав директиву #include.

Читать еще: World Conqueror 4 [мод: открыты медали и ресурсы]

На Arduino.cc имеется список библиотек. Некоторые библиотеки включены в среду разработки Arduino. Другие могут быть загружены с различных ресурсов. Для установки скачанных библиотек необходимо создать директорию «libraries» в папке блокнота и затем распаковать архив. Например, для установки библиотеки DateTime ее файлы должны находится в подпапке /libraries/DateTime папки блокнота.

Смотрите данную инструкцию для написания собственной библиотеки.

Аппаратные средства других разработчиков

Поддерживаемые аппаратные средства других производителей добавляются в соответствующую подпапку папки блокнота. Устанавливаемые платформы могут включать собственные характеристики (в меню платформы), корневые библиотеки, загрузчик(Bootloader) и характеристики программатора. Для установки требуется распаковать архив в созданную папку. (Запрещено использовать наименование папки “arduino”, т.к. могут быть перезаписаны встроенные данные платформы Arduino.) Для деинсталляции данных удаляется соответствующая директория.

Подробная информация по созданию сборок описаний аппаратных средств других производителей находится на страницах сайта Google Code.

Мониторинг последовательной шины (Serial Monitor)

Отображает данные посылаемые в платформу Arduino (плата USB или плата последовательной шины). Для отправки данных необходимо ввести текст и нажать кнопку Send или Enter. Затем выбирается скорость передачи из выпадающего списка, соответствующая значению Serial.begin в скетче. На ОС Mac или Linux платформа Arduino будет перезагружена (скетч начнется сначала) при подключении мониторинга последовательной шины.

Имеется возможность обмена информацией с платформой через программы Processing, Flash, MaxMSP и т.д. (см. подробности на странице описаний интерфейсов).

Настройки

Некоторые настройки изменяются в окне Preferences (меню Arduino в ОС Mac или File в ОС Windows и Linux). Остальные настройки находятся в файле, месторасположение которого указано в окне Preferences.

Платформы

Выбор платформы влияет на: параметры (напр.: скорость ЦП и скорость передачи данных), используемые при компиляции и загрузке скетчей и на настройки записи загрузчика (Bootloader) микроконтреллера. Некоторые характеристики платформ различаются только по последнему параметру (загрузка Bootloader), таким образом, даже при удачной загрузке с соответствующим выбором может потребоваться проверка различия перед записью загрузчика (Bootloader).

Arduino Duemilanoveили Nano с ATmega328
Тактовая частота ATmega328 16 МГц с возможностью автоматической перезагрузки. Используется для версий Arduino Pro или Pro Mini с ATmega328 на частоте 16 МГц (5 В).

Arduino Diecimila, Duemilanove, илиNano с ATmega168
Тактовая частота ATmega168 16 МГц с возможностью автоматической перезагрузки. Компиляция и загрузка соответствует Arduino NG или старым версиям с ATmega168, но загрузка Bootloader имеет короткий таймаут (при перезагрузке светодиод пина 13 мигает один раз). Используется для версий Arduino Pro и Pro Mini с ATmega168 на частоте 16 МГц (5 В).

Arduino Mega
Тактовая частота ATmega1280 16 МГц с возможностью автоматической перезагрузки.

Arduino Mini
Соответствует Arduino NG или старым версиям с ATmega168 (напр.: тактовая частота ATmega168 16 МГц без возможности автоматической перезагрузки).

Arduino BT
Тактовая частота ATmega168 16 МГц. Загрузка Bootloader происходит совместно с кодами для инициализации модуля Bluetooth.

LilyPad Arduino с ATmega328
Тактовая частота ATmega328 8 МГц (3.3 В) с возможность автоматической перезагрузки. Соответствует Arduino Pro или Pro Mini (3.3 В, 8 МГц) с ATmega328.

LilyPad Arduinoс ATmega168
Тактовая частота ATmega168 8 МГц.
Компиляция и загрузка соответствует Arduino Pro или Pro Mini (8 МГц) с ATmega168.
Загруженный Bootloader имеет длинный таймаут (при перезагрузке светодиод пина 13 мигает три раза), т.к. оригинальные версии LilyPad не поддерживают автоматическую перезагрузку. Также не поддерживаются внешние часы и, следовательно, Bootloader конфигурирует загрузку внутренних 8 МГц часов в ATmega168.
При наличии поздних версий LilyPad (с 6-контакным программным вводом) перед загрузкой Bootloader требуется выбрать Arduino Pro или Pro Mini (8 MHz) с ATmega168.

Arduino Pro или Pro Mini (3.3 В, 8 МГц) с ATmega328
Тактовая частота ATmega328 8 МГц (3.3 В) с возможность автоматической перезагрузки. Соответствует LilyPad Arduino с ATmega328.

Arduino Pro или Pro Mini (3.3 В, 8 МГц) с ATmega168
Тактовая частота ATmega168 8 МГц (3.3 В) с возможность автоматической перезагрузки.

Arduino NG или предыдущие версии с ATmega168
Тактовая частота ATmega168 16 МГц без возможности автоматической перезагрузки. Компиляция и загрузка соответствует Arduino Diecimila или Duemilanove с ATmega168, но загрузка Bootloader имеет длинный таймаут (при перезагрузке светодиод пина 13 мигает три раза).

Arduino NG или предыдущие версии с ATmega8
Тактовая частота ATmega8 16 МГц без возможности автоматической перезагрузки.

Что такое микроконтроллер

Так, микропроцессоры и микроконтроллеры широко используются в бытовой технике, автомобильной электронике, аэрокосмической и военной отраслях и, конечно же, в промышленном производстве.

Микроконтроллер – это микроэлектронное программируемое устройство, предназначенное для обработки информации и управления процессами обмена этой информацией в составе микропроцессорной системы (компьютера).

Почему «микроэлектронное»? Потому что процессоры изготавливаются с помощью технологий современной микроэлектроники на основе полупроводникового кристалла. Информация в микропроцессорной системе передается электрическими импульсами. В одной микросхеме есть много всего – и цифровые порты, и аналогово-цифровые преобразователи для измерений и всякие таймеры и так далее.

Читать еще: Как перекачать музыку с компьютера на телефон

Структура памяти Ардуино, где располагается скетч и данные

На микроконтроллере Ардуино имеется 3 вида памяти – флеш-память, которая используется для хранения скетчей, ОЗУ для хранения переменных и EEPROM для хранения постоянной информации. Из этих типов памяти флеш-память и EEPROM являются энергонезависимыми, то есть информация сохраняется при выключении питания. ОЗУ используется только для хранения данных, которые имеют отношение к исполняемой программе.

Микроконтроллер ATmega168, который используется на части плат Ардуино, имеет 16 Кб флеш-памяти, 1024 байта для ОЗУ и 512 байт EEPROM. Важно обратить внимание на малый объем ОЗУ. Большие программы могут полностью ее израсходовать, что приведет к сбою в программе. По этой причине нужно следить за тем, сколько строк занимает программа, и по возможности удалять лишнее. Уменьшить объем кода можно несколькими способами:

Можно отправить часть информации на компьютер.
Для таблиц и других крупных массивов использовать минимальный тип данных для хранения.
Данные, которые остаются неизменными, можно объявить константами при помощи слова const перед объявлением переменной.
Меньше использовать рекурсию. При ее вызове в памяти, называемой стеком, выделяется фрагмент, в котором хранятся различные данные. Если часто вызывать рекурсию, стеки будут занимать большой объем памяти и могут израсходовать ее.
Неизменяемые строки можно сохранять во флеш-памяти во время работы программы. Для этого используется функция PROGMEM.

На объем памяти не влияют размер имени переменных и комментарии. Компилятор устроен таким образом, что не включает эти данные в скомпилированный скетч.

Для измерения объема занимаемой памяти ОЗУ используется скетч из библиотеки MemoryFree. В ней имеется специальная функция freeMemory, которая возвращает объем доступной памяти. Также эта библиотека широко используется для диагностики проблем, которые связаны с нехваткой памяти.

Оптимизация флеш-памяти. Как только будет окончена процедура компиляции, в окне появится информация о занимаемой памяти кодом. Если скетч занимает большую часть памяти, нужно произвести оптимизацию использования флеш-памяти:

Использование констант. Аналогично как и для ОЗУ задавать неизменяющиеся значения константами.
Удалить ненужные Serial.println. Эта команда используется, когда нужно увидеть значения переменных в разных местах программы, нередко эта информация просто не нужна. При этом команды занимают место в памяти, поэтому, убедившись в корректной работе программы, некоторые строки можно удалить.
Отказ от загрузчика – можно программировать микроконтроллер через контакты ICSP на плате с использованием аппаратных программаторов.

Флеш память является безопасным и удобным способом хранения данных, но некоторые факторы ограничивают ее использование. Для флеш-памяти характерна запись данных блоками по 64 байта. Также флеш-память гарантирует сохранность информации для 100000циклов записи, после чего информация искажается. Во флеш-памяти имеется загрузчик, который нельзя удалять или искажать. Это может привести к разрушению самой платы.

EEPROM память используется для хранения всех данных, которые потребуются после отключения питания. Для записи информации в EEPROM нужно использовать специальную библиотеку EEPROM.h, которая входит в число стандартных библиотек в Arduino IDE. Чтение и запись информации в EEPROM происходит медленно, порядка 3 мс. Также гарантируется надежность хранения данных для 100000 циклов записи, потому лучше не выполнять запись в цикле.

Сделаем мир удобнее. –>

Первое, из-за чего возникло желание более подробно разобраться с flash-памятью, явилось то, что в своих проектах хотелось иметь энергонезависимую память, но к сожалению серия микроконтроллеров STM32f1xx не имеет встроенной eeprom. Во вторых, без знания работы flash было бы проблематично написать собственный bootloader.

Кроме, собственно, встроенной flash-памяти, я также немного расскажу и о оперативной памяти. Как обычно, основным источником для статьи является родное руководство от компании STMicroelectronics (Reference Manual), а также обобщенная информация из различных форумов и статей в интернете, ну и на основе своего опыта.

Предисловие

Изначально планировалось объединить в одной статье информацию о структуре, регистрах и методах работы с Flash. Но в итоге, статья получилась бы слишком громоздкой, поэтому было принято решение написать две статьи: одна для начинающих, используя готовые библиотеки от STM, а вторая статья будет о том, как, собственно, эти библиотеки работают с памятью.

В данной статье я расскажу о структуре памяти, основных требованиях при работе с ней и о некоторых моментах, которые могут помочь быстрее разобрать с Flash.

Почему FLASH?

Во многих небольших проектах возникает необходимость сохранять какие-либо параметры работы устройства в независимой от электричества памяти (EEPROM). Но в STMicroelectronics решили, что использование этой памяти в большинстве микроконтроллеров не целесообразно, исключение составляет только серия LP (Low Power), в которой EEPROM присутствует.

В крупных проектах проблемы нет – используется внешняя память, а вот в небольших использование внешней памяти не всегда выход, так как, помимо всего прочего, нужно эту память разместить на плате и правильно развести.

В интернете полно различных примеров, есть даже изыски о том, как хранить небольшой объем данных в регистрах backup’a, но все же, если не прибегать к внешней памяти, основным способом хранения данных с защитой при отключении питания является хранение во внутренней flash-памяти.

Читать еще: Как понять что тебя заблокировали в Ватсапе

В первую очередь flash-память предназначена для хранения инструкций для микроконтроллера, другими словами – программного кода. Но если Ваш программный код занимает не весь объем памяти, то почему бы не выделить ее часть под хранение наших настроек?

Не требуется использование внешней памяти, соответственно сокращается время на разработку платы и происходит удешевление продукта;
Меньше программного кода, следовательно меньшее время затрачивается на разработку.

Есть конечно и свои ограничения:

Запись во Flash требует некоторого времени, что влияет на производительность МК в момент записи или очистки памяти;
Чтобы внести изменения в уже существующие данные, нужно стереть всю страницу или записывать в “чистый” блок памяти;
Количество циклов перезаписи гарантировано в районе 100 тысяч операций – вроде бы много, но перезаписывая данные в страницу раз в секунду, МК выработает ресурс flash чуть более, чем за сутки. Поэтому очень не рекомендую постоянно писать во flash, рекомендуется производить операции очистки / записи лишь для сохранения данных в “энергонезависимой” памяти. В остальных случаях работаем с оперативной памятью;
Минимум Вы можете использовать 1 страницу памяти (даже для одного байта), а размер одной страницы составляет от одного до двух килобайт, в зависимости от модели микроконтроллера. Такова селяви устройства flash-памяти.

Но не стоит забывать что в первую очередь flash-память предназначена для хранения программного кода и, соответственно, сама структура интерфейса Flash в микроконтроллере устроена таким образом, чтобы оптимизировать загрузку инструкций для МК и организовать их (инструкций) кэширование, пока идет выполнение уже загруженных.

Структура

Как нам сообщает Reference Manual, модуль flash-памяти является высокопроизводительным и имеет следующие ключевые особенности:

Для устройств серии XL-density: объем памяти составляет до 1Mb, разбитый на два банка памяти:

– 1-й банк памяти: 512KB;
– 2-й банк памяти: до 512KB, в зависимости от модели микроконтроллера.

Для других устройств: объем памяти составляет до 512KB, состоящий из одного банка памяти размером до 512KB.
Сама по себе Flash-память состоит из трех блоков: основной блок памяти, информационный блок и блока регистров управления Flash. Структура блоков памяти и их характеристики приведены на рисунке №1.

Интерфейс flash-памяти (FLITF (Flash Memory Interface)) позволяет выполнять следующие операции:

Чтение из памяти с возможностью буферизации (2 слова по 64 бита);
Операции записи и очистки памяти;
Организация защиты flash от чтения и/или записи.

Основная flash-память разбита на страницы размером в 1 или 2 килобайта, это зависит от линейки микроконтроллеров STM. Использовать под свои нужды Вы можете только целое количество страниц, соответственно, если Ваша прошивка занимает все страницы памяти МК, то использование flash-памяти под свои нужды будет проблематично.

Два оставшихся блока памяти, информационный и блок регистров, достаточно редко используются напрямую, в основном используется функционал из готовых библиотек. Поэтому в дальнейшем описании я коснусь только регистра настройки, а подробное описание регистров памяти и информационного блока я приведу в отдельной статье.

Операции с flash-памятью

Операций работы с flash-памятью не так уж и много: можем прочитать, записать и очистить память. Причем запись и очистка памяти, как правило, осуществляется вместе. Также еще можно заблокировать память для чтения и/или для записи. Но перед началом работы необходимо произвести инициализацию модуля Flash.

Инициализация Flash.

Операции чтения flash-памяти и доступ к данным выполняются через шину AHB. Буферизация чтения, для выполнения команд, выполняется через шину ICode. Арбитраж выполнения осуществляется самой flash-памятью, а приоритет отдается доступу к данным на шине DCode. Другими словами, пока микроконтроллер выполняет текущую команду, интерфейс Flash-памяти передает МК данные по следующей.

Чтение данных из flash-памяти может быть сконфигурировано следующим образом:

• Задержка (Latency): количество состояний ожидания для операции чтения, устанавливается «на лету», не требуется инициализация МК;

• Буферизация (2 слова по 64 бита) (Prefetch buffer): активируется во время инициализации МК. Весь блок памяти может быть заменен за один цикл чтения из памяти, так как размер блока соответствует размеру полосы пропускания шины flash-памяти. Благодаря буферизации, возможна более быстрая работа МК, поскольку МК извлекает из памяти по одному “слову” за раз одновременно со следующим “словом”, которое помещается в предварительный буфер.

• Половинный цикл (Half cycle): этот режим требуется для оптимизации питания, чаще всего используется при работе от батарейки с программами, которые не требуют особого быстродействия.

Эти параметры следует использовать в соответствии с временем доступа к flash-памяти. Значение периода ожидания представляет собой отношение периода SYSCLK (системных часов) к времени доступа к flash-памяти и устанавливается в зависимости от следующих параметров:

голоса

Рейтинг статьи