WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY KATEDRA TELEKOMUNIKACJI I APARATURY ELEKTRONICZNEJ. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych. Numer ćwiczenia: 1

Transkrypt

1 Politechnika Białostocka WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY KATEDRA TELEKOMUNIKACJI I APARATURY ELEKTRONICZNEJ Instrukcja do zajęć laboratoryjnych Temat ćwiczenia: Środowisko Keil. Arytmetyka stałoprzecinkowa. Numer ćwiczenia: 1 Laboratorium z przedmiotu: Systemy mikroprocesorowe w zastosowaniach przemysłowych i sieciowych KOD: TS1C6 Opracowali: dr inż. Maciej Szumski dr inż. Krzysztof Konopko 2017

2 1 Wprowadzenie 1.1 Architektura ARM Obecnie ponad 75% rynku 32-bitowych mikroprocesorów stosowanych w systemach wbudowanych stanowią procesory z architekturą ARM. Używa się ich między innymi w telefonach komórkowych, routerach, systemach przemysłowych, a nawet w zabawkach dziecięcych. Procesory ARM wyposażone w rdzenie Cortex zostały podzielone na trzy grupy: A przeznaczona do implementacji aplikacji z systemami operacyjnymi, wymagających dużych mocy obliczeniowych i obsługi pamięci wirtualnej z MMU (Memory Management Unit), R stworzona do systemów czasu rzeczywistego, w których czas reakcji jest krytyczny (np. ABS), M oferująca bardzo korzystny stosunek ceny do możliwości, przeznaczona do zastosowań konsumenckich i przemysłowych. Procesory ARM wspierają cztery różne zestawy instrukcji: Thumb stworzony w celu zwiększenia gęstości kodu, stosuje instrukcje 16-bitowe, ograniczoną różnorodność operandów oraz ograniczony zakres dostępnych rejestrów, ARM32 zawiera instrukcje 32-bitowe, większy zakres wartości operandów i zakres skoków relatywnych oraz dostęp do wszystkich rejestrów, Thumb-2. stanowi kompromisem pomiędzy Thumb i ARM32, zawiera cały zestaw Thumb i wybrane instrukcje ARM32 (celem jest duża gęstość, zbliżona do Thumb i wydajność porównywalna z A RM 32). ARM64 zawiera zestaw instrukcji 64-bitowych wykorzystywany w procesorach o największych mocach obliczeniowych, stosowanych np. w serwerach. 1.2 ZL29ARM - zestaw uruchomieniowy z mikrokontrolerem STM32F107VCT6 Rys ZL29ARM - zestaw uruchomieniowy z mikrokontrolerem STM32F107VCT6

3 ZL29ARM jest uniwersalnym zestawem uruchomieniowym, przeznaczonym do testowania aplikacji realizowanych na mikrokontrolerach STM32F107 (rodzina Connectivity Line). Podstawowe właściwości zestawu: mikrokontroler STM32F107VCT6 w obudowie LQFP100 (m.in. 256 kb pamięci Flash, 64 kb pamięci SRAM, 2xSPI, 1xI2C, 5xUART, USB-OTG, 2xCAN, MAC Ethernet, ADC, 2xDAC) złącze dla modułu PHY (ZL3ETH) złącze dla alfanumerycznego wyświetlacza LCD 2x16 znaków (LCD1602) złącze dla graficznego wyświetlacza LCD 128x64 pikseli ze sterownikiem KS0108 (LCD12864) 5-pozycyjny joystick 2 przyciski 2 diody LED 20-stykowe złącze JTAG umożliwiające programowanie pamięci oraz debugowanie programu złącze host USB złącze device USB wbudowany klucz prądowy do zasilania device USB złącze z wyprowadzoną magistralą I2C złącze z wyprowadzoną magistralą SPI zworki służące do wyboru typu pamięci, z której zostanie uruchomiony mikrokontroler potencjometr umożliwiający zmianę napięcia podawanego na wejście przetwornika analogowo-cyfrowego wbudowanego w mikrokontroler interfejs RS232 wraz z konwerterem napięć MAX232 ze złączem DB9 (dzięki wbudowanemu w mikrokontroler bootloaderowi możliwe jest również programowanie przez RS232) interfejs CAN (układ L9616) ze złączem DB9 złącze kart SD przetwornik piezoelektryczny zasilanie ze złącza USB lub z zewnętrzengo zasilacza ( V) 18 linii GPIO wyprowadzonych na złącza szpilkowe 1.3 Środowisko programistyczne (IDE Integrated Development Environment) Do wygodnej pracy przy tworzeniu projektów programistycznych nieodzowne jest funkcjonalne i wspierające użytkownika środowisko programistyczne. Dla platformy ARM powstało wiele takich środowisk. Na rynku prym wiodą komercyjne pakiety: MDK-ARM produkowany przez firmę Keil (należącą obecnie do ARM), Embedded Workbench oferowany przez firmę IAR, CrossWorks firmy Rowley oraz bezpłatny (dystrybuowany na licencji GPL) zestaw narzędzi programistycznych, składający się z kompilatora ARM-GCC oraz środowiska Eclipse.

4 W trakcie ćwiczeń laboratoryjnych wykorzystywane będzie środowisko programistyczne oferowane przez firmę Keil. Bezpłatną wersję środowiska można pobrać ze strony Po instalacji należy jeszcze zaktualizować środowisko przy pomocy Pack Installer a. Rys Okno środowiska programistycznego firmy Keil Konfiguracja środowiska firmy Keil do symulacji i współpracy z zestawem wyposażonym w procesor STM320F107VC Przed rozpoczęciem tworzenia projektu należy w oknie Pack Installer a wybrać nazwę mikrokontrolera STM32F107VC (All Devices STMicroelectronics STM32F1 Series STM32F107 STM32F107VC). Zainstalować paczkę Keil::STM32F1xx_DFP i zaktualizować paczkę ARM::CMSIS. Utworzenie projektu należy zacząć od założenia katalogu roboczego. Do utworzonego katalogu należy skopiować biblioteki (katalog Libraries) oraz dokumentacje (katalog Dokumentacja) ze wskazanego przez prowadzącego źródła. Na koniec należy utworzyć katalog projektem (np. Projekt00) i skopiować do niego pliki: stm32f10x_conf.h stm32f10x_it.c stm32f10x_it.h Aby utworzyć nowy projekt należy: wybrać menu Project New Vision Project.... Plik projektu należy zapisać w przygotowanym katalogu Projekt00, pod nazwa projekt00. Jako platformę docelowa należy z drzewa dostępnych platform wybrać STMicroelectronics STM32F1Series STM32F107 STM32F107VC. Manage Run-Time Environment należy zamknąć przyciskiem OK. Inicjalizacje projektu należy rozpocząć od stosownego podziału plików na katalogi. W tym celu w katalogu głównym Target 1 należy utworzyć katalogi (kliknąć prawym przyciskiem myszy na Target 1 i wybrac opcje Add Group...): UserCode (na kod użytkownika), StdPeriphDrv (na biblioteki do obsługi peryferii), CMSIS (na biblioteki do obsługi rdzenia) oraz RVMDK (na plik startowy mikrokontrolera). Katalog, który domyślnie zostaje utworzony w nowym projekcie Source Group 1 można usunąć. Następnie trzeba uzupełnić utworzone katalogi odpowiednimi plikami. Warto utworzyć najpierw plik main.c poprzez klikniecie prawym przyciskiem myszy katalogu UserCode, a następnie wybranie opcji Add New Item to Group UserCode. Z okna, które się pojawiło należy wybrać plik typu C File (.c), nazwać go main.c i zatwierdzić przyciskiem OK. Plik ten automatycznie zostanie otwarty w edytorze. Można teraz uzupełnić zawartość pliku przykładowym kodem: #include "stm32f10x.h" int main ( void ){ return 0; } Należy jeszcze dodać następujące pliki (dwukrotnie klikając lewym przyciskiem myszy na odpowiednie katalogi):

5 do UserCode dodać:.\stm32f10x_it.c do StdPeriphDrv dodać:.\libraries\stm32f10x_stdperiph_driver\src\misc.c.\libraries\stm32f10x_stdperiph_driver\src\stm32f10x_flash.c.\libraries\stm32f10x_stdperiph_driver\src\stm32f10x_gpio.c.\libraries\stm32f10x_stdperiph_driver\src\stm32f10x_rcc.c do CMSIS dodac:.\libraries\cmsis\cm3\coresupport\core_cm3.c.\libraries\cmsis\cm3\devicesupport\st\stm32f10x\system_stm32f10x.c do RVMDK dodac:.\libraries\cmsis\cm3\devicesupport\st\stm32f10x\startup\arm\startup_stm32f10x_cl.s Po dodaniu plików można przystąpić do konfiguracji projektu. W tym celu należy dwukrotnie kliknąć Target 1 z drzewa projektu, a następnie wybrać menu Project Options for Target Target 1... Rys Okno konfiguracji projektu Konfiguracja powinna uwzględniać: w zakładce Device: wybór odpowiedniego mikrokontrolera, tj. STM32F107VB, w zakładce Target: ustawienie odpowiedniej częstotliwości kwarcu Xtal (MHz), tj. na 10.0 (taki właśnie jest zamontowany w stosowanym w laboratorium zestawie uruchomieniowym), w zakładce Output: zaznaczenie opcji Browse Information, w celu umożliwienia wyszukiwania funkcji i zmiennych w plikach źródłowych, w zakładce C/C++ uzupełnienie pola Define o definicje USE_STDPERIPH_DRIVER, pozwalające na wykorzystanie standardowej biblioteki do obsługi peryferii, wybór poziomu optymalizacji na zerowy, tj. Level 0 (-O0), zaznaczenie opcji One ELF Secion per Function, wybór wyświetlania wszystkich ostrzeżeń, tj. All Warnings, dodanie ścieżek do plików nagłówkowych (kliknąć lewym przyciskiem myszy na trzy kropki, na prawo od Include Paths, utworzyć rekord klikając klawisz Insert, wpisać ścieżkę):..\libraries\cmsis\cm3\coresupport..\libraries\cmsis\cm3\devicesupport\st\stm32f10x..\libraries\stm32f10x_stdperiph_driver\inc..\projekt00

6 w zakładce Linker zaznaczenie opcji Use Memory Layout from Target Dialog, w zakładce Debug (Rys. 12) zaznaczenie opcji Use Simulator. Powyższa konfiguracja pozwala na kompilację utworzonego projektu. Odbywa się to poprzez wybór z menu Project Build Target (lub wciśnięcie klawisza F7). 2 Cel i zakres ćwiczenia Celem ćwiczenia jest ugruntowanie wiedzy studentów oraz nabycie przez nich umiejętności z zakresu podstaw programowania mikroprocesorów. W ramach zajęć studenci nabywają podstawowe umiejętności z zakresu posługiwania się zintegrowanym środowiskiem programistycznym Keil. Studenci zdobywają umiejętność tworzenia, uruchamiania i testowania oprogramowania mikrokontrolerów na przykładzie zestawu ZL29ARM z mikrokontrolerem STM32F107VCT6 oraz poznają asembler mikroprocesora z rodziny Cortex M3. Realizowanymi zadaniami w bieżącym ćwiczeniu są podstawowe działania arytmetyczne i logiczne z wykorzystaniem działań stałoprzecinkowych. 3 Zagadnienia do opracowania przed przystąpieniem do zajęć Przed przystąpieniem do zajęć należy opracować następujące zagadnienia: architekturę mikroprocesorów z rdzeniem Cortex M3 [4] w tym stosowanego na zajęciach mikroprocesora z STM32F107VC [3], sposób konfiguracji zastawu ZL29ARM [2] za pomocą zworek, stałoprzecinkowe reprezentacje liczb: - liczby całkowite (zinterpretować ciąg bitów o długości 8, 16, 32 i 64 w różnych formatach) [1 rozdz. 2], - liczby ułamkowe ze znakiem format Qn.m [1 rozdz. 14], składnia asemblera procesorów z rodziny Cortex M3 [6] w szczególności lista i składnia rozkazów stałoprzecinkowych (dodawanie, odejmowanie, mnożenie, operacje logiczne) [1 rozdz. 5 8]. 4 Przebieg ćwiczenia Ćwiczenia laboratoryjne prowadzone są w oparciu o zestaw ZL29ARM [2] umożliwiający realizację aplikacji dla mikrokontrolera STM32F107 (rodzina Connectivity Line). Środowisko Keil: a) Przeanalizować ustawienia zworek zamontowanych na płycie zestawu. b) Uruchomić komputer i utworzyć pierwszy projekt zgodnie z informacjami zawartymi w instrukcji (rozdz. 1.3). c) Napisać program kopiujący n-elementowy łańcuch tekstowy (przykładowa realizacja procedury znajduje się w [1 rozdz. 4.8]. d) W trybie debugowania prześledzić wykonywanie programu krok po kroku obrazując, przy wykorzystaniu narzędzi środowiska Keil, zmiany wartości zmiennych, zawartości rejestrów, zawartości wykorzystywanych obszarów

7 pamięci. Arytmetyka stałoprzecinkowa: a) Przy wykorzystaniu asemblera zrealizować proste procedury: odczytującą z pamięci do rejestru i zapisującą z rejestru do pamięci liczby 8, 16 i 32, dodającą dwie liczby 16-bitowe i dwie 32-bitowe, mnożącą dwie liczby 16-bitowe. b) Wykonać zestaw zadań przydzielony grupie przez prowadzącego. Realizacja zadań wymaga znajomości działań arytmetycznych w kodach NKB, U2, Qm.n. Przykładowe zadania znajdują się w [1 rozdz. 10.5, 14.3]. Każde zrealizowane zadanie należy przedstawić prowadzącemu. 5 Opracowanie sprawozdania Przygotowane sprawozdanie z zajęć powinno zawierać opis przebiegu ćwiczenia laboratoryjnego w tym kody źródłowe procedur wraz z opisem i analizą działania (stan i zmiany wartości rejestrów i komórek pamięci). Sprawozdanie powinno też zawierać wnioski dotyczące realizacji poszczególnych punktów ćwiczenia laboratoryjnego. 6 Wymagania BHP W trakcie realizacji programu ćwiczenia należy przestrzegać zasad omówionych we wstępie do ćwiczeń, zawartych w: Regulaminie porządkowym w laboratorium oraz w Instrukcji obsługi urządzeń elektronicznych znajdujących się w laboratorium z uwzględnieniem przepisów BHP. Regulamin i instrukcja są dostępne w pomieszczeniu laboratoryjnym w widocznym miejscu. 7 Literatura 1. Maciej Szumski, Systemy Mikroprocesorowe w Sterowaniu. Część I. ARM Cortex-M3, PLUM, Dokumentacja zestawu ZL29ARM: 3. STM32F107VC Datasheet: RM0008: STM32F101xx, STM32F102xx, STM32F103xx, STM32F105xx and STM32F107xx advanced ARM -based 32-bit MCUs: PM0075: STM32F10xxx Flash memory microcontrollers: PM0056: STM32F10xxx/20xxx/21xxx/L1xxxx Cortex-M3 programming manual: STM32F105xx and STM32F107xx revision Z connectivity line device limitations: Krzysztof Paprocki, Mikrokontrolery STM32 w praktyce, BTC, Marek Galewski, STM 32 : aplikacje i ćwiczenia w języku C, BTC, William Hohl, Asembler dla procesorów ARM : podręcznik programisty, Helion, 2014.