Lecture 1 - Getting started with ARM Cortex-M0

• Автор рад видеть интерес к теме.  

• Курс посвящен микроконтроллерам STM32, которые доступны и имеют активное комьюнити.  

• В отличие от новых процессоров, STM32 предоставляет дешевые отладочные платы и активное сообщество.  

• Пример с Raspberry Pi показывает важность комьюнити.  

• Комьюнити помогает решать вопросы и находить информацию.  

• Пример с бутлодером, который стал открытым и доступным для реверсинга.  

• В начале работы с STM32 было мало информации.  

• Сейчас информация доступна на русском и английском языках.  

• Время от покупки платы до первого мигающего светодиода составляет день.  

• Обсуждение истории ARM и STM32.  

• Пример с часами, который будет первым проектом.  

• Возможность усложнения проекта.  

• Обзор STM32 F0 и Cortex-M0.  

• Cortex-M0 как простое и мощное ядро.  

• STM32 используется даже в Apple.  

• Призыв задавать вопросы для лучшего понимания.  

• План лекции: результаты теста, ядро Cortex-M0, практика с мигающим светодиодом.  

• Возможность работы на Linux и Windows.  

• Слайды на английском языке используются для упрощения поиска информации в интернете.  

• Термины, связанные с микроконтроллерами, часто сложно перевести, поэтому лучше использовать английский.  

• Первый вопрос касался объявления переменных в цикле.  

• Многие студенты не смогли правильно ответить на этот вопрос.  

• Вопрос о изменении сопротивления резистора также вызвал затруднения.  

• volatile гарантирует, что переменная останется в памяти даже при максимальной оптимизации компилятора.  

• Это важно для работы с микроконтроллерами, где программы часто бессмысленны с точки зрения компилятора.  

• volatile позволяет избежать удаления переменных при оптимизации.  

• Компиляторы используют дополнительный код для представления отрицательных чисел.  

• Дополнительный код позволяет представлять отрицательные числа в памяти компьютера.  

• Пример с восьмибитной переменной показывает, как работает дополнительный код.  

• Логический сдвиг используется для изменения значения переменной.  

• Напряжение логической единицы в цифровой электронике не является фиксированным значением, а находится в определенном диапазоне.  

• В аналоговой электронике напряжение всегда будет немного отличаться от точного значения.  

• Вопрос о том, как управлять восемью светодиодами с помощью трех пинов.  

• Объяснение, что такое пин и как он работает.  

• Обсуждение различных устройств, таких как мультиплексор, сдвиговый регистр и дешифратор.  

• Объяснение работы мультиплексора: выбор одного из восьми входов для подключения к выходу.  

• Объяснение работы сдвигового регистра: сдвиг данных по тактовому импульсу.  

• Объяснение работы дешифратора: соответствие двоичных чисел и выходов.  

• Пример таблицы истинности для управления светодиодами.  

• Объяснение, что такое дребезг кнопки и почему он возникает.  

• Методы борьбы с дребезгом: использование низкочастотного фильтра.  

• Принцип работы низкочастотного фильтра для снижения амплитуды шума.  

• Объяснение процесса выравнивания структур в памяти.  

• Пример структуры и её размещения в памяти.  

• Важность выровненного доступа к полям структуры для предотвращения исключений.  

• В архитектуре Литл Энден адреса должны быть кратны размеру поля.  

• Пример: выравнивание до 32 бит для uint8_t дает 12 байт, что неправильно.  

• Правильное выравнивание до 16 бит для uint8_t.  

• Существуют атрибуты для упаковки структур, чтобы избежать потерь памяти.  

• На семинарских занятиях будет больше информации по этой теме.  

• Обсуждение мигания лампы и инверсии битов.  

• Вопросы и ответы по тестам и ошибкам.  

• Введение в ARM Cortex-M0 и его архитектуру.  

• Описание процесса создания системы на кристалле.  

• Программатор позволяет заливать прошивку и проводить отладку.  

• Возможность эмуляции терминала в последних версиях программатора.  

• Cortex-M0 проще, чем x86, и потребляет меньше энергии.  

• Три режима сна для экономии питания.  

• Инструкции Cortex-M0 занимают 16 бит, что экономит место в памяти.  

• Совместимость с более старшими версиями процессоров.  

• Основные блоки: ядро, шина, дебагер и конфигурирование прерываний.  

• Опциональный системный таймер.  

• Два режима: основной и обработчик.  

• Разные стеки для каждого режима для защиты от взаимного повреждения.  

• Память общая, что делает защиту от взаимного повреждения бесполезной.  

• Фича может быть полезна для защищенного исполнения кода, но не обязательна для микроконтроллеров.  

• Регистры процессора - это быстро работающие блоки памяти.  

• Они могут управлять состоянием системы, например, микроконтроллера.  

• В процессоре 16 регистров, из которых 13 доступны для пользовательских целей.  

• Стек содержит указатель на стек и регистр LR для хранения указателя на функцию.  

• LR инкрементируется на размер инструкции при каждом выполнении.  

• Три служебных регистра отвечают за состояние микроконтроллера.  

• Статус регистр содержит четыре бита, включая режим упаковки кода и номер внешнего события.  

• Некоторые биты зарезервированы для использования процессором.  

• Регистры делятся на нижние и верхние части.  

• Регистры от R0 до R12 могут использоваться с любыми инструкциями.  

• Регистры R13, R14 и R15 имеют 32-битный размер.  

• Два регистра стек-пойнтера: PSP и MSP.  

• Переключение между стеками происходит автоматически через специальный бит в регистре.  

• Регистр разрешает или запрещает внешние события.  

• Это позволяет выполнять код без прерываний, например, при онлайн-покупках.  

• Специальная инструкция меняет бит в регистре для управления внешними событиями.  

• Внешние события включают исключения и прерывания.  

• В ARM Cortex-M0 нет разницы между исключениями и прерываниями.  

• Исключения обрабатываются аналогично прерываниям, без возможности исправления.  

• Прерывания и исключения выполняют схожие функции.  

• Пример: отправка данных по интернету в бесконечном цикле.  

• Прерывание позволяет отменить передачу данных без проверки в цикле.  

• Прерывание сохраняет состояние в стеке.  

• Обработчик прерывания отменяет передачу данных.  

• После обработки прерывания состояние возвращается к исходному.  

• Кортекс-М0 поддерживает до 64 прерываний.  

• Таблица прерываний в начале прошивки указывает адреса обработчиков.  

• Первый адрес в таблице указывает на конец оперативной памяти или стек.  

• При включении микроконтроллера стек инициализируется.  

• Обработчик сброса выполняет инициализацию памяти.  

• Инициализация должна быть выполнена в обработчике сброса.  

• Шесть системных прерываний, включая сброс и НМИ.  

• НМИ не может быть отключен или замаскирован.  

• НМИ используется для обработки отключения питания, чтобы сохранить данные.  

• Хартфолт возникает при обращении по невыровненным адресам.  

• Пример: обращение к переменной по адресу, который не кратен четырем байтам.  

• Обработчик хартфолта включает синий светодиод.  

• Обработчик хартфолта включает светодиод при обращении по невыровненному адресу.  

• Пример: изменение адреса на кратный четырем байтам устраняет хартфолт.  

• Хартфолт может быть прерван только сбросом питания.  

• Хартфолт и сброс питания обрабатываются синхронно.  

• Другие прерывания, такие как системный таймер, могут возникать в любое время.  

• Пример: использование программного прерывания для управления светодиодами.  

• Программное прерывание позволяет выполнять действия в зависимости от входных данных.  

• Пример: включение светодиода через программное прерывание.  

• Программное прерывание аналогично системным вызовам в операционных системах.  

• Системный таймер инициализируется в коде и генерирует прерывания.  

• Пример: мигание светодиода с частотой один герц.  

• Таймер предоставляет минимальный функционал для управления периферией.  

• Ядро микроконтроллера предоставляет 32 дополнительных слота для настройки прерываний.  

• Пример: завершение передачи данных с генерацией исключения.  

• Таблица системных исключений, предоставляемых ядром.  

• Cortex-M0 поддерживает прерывания, но их обработка не сильно меняет ситуацию.  

• Модуль ENI конфигурирует приоритеты и включает прерывания.  

• Приоритеты можно выставлять с помощью отрицательных чисел.  

• При возникновении внешнего события ядро сохраняет состояние в стек.  

• Используются оптимизации tail-chaining и lazy-equal для ускорения обработки прерываний.  

• Это позволяет не сохранять и выгружать контекст при каждом прерывании.  

• Приоритеты прерываний можно задавать по умолчанию или вручную.  

• Методы для этого позволяют записывать приоритеты в определенные регистры.  

• Приоритеты могут быть изменены, но не могут быть выше, чем у определенных прерываний.  

• Cortex-M0 использует фон-неймановскую архитектуру с одним адресным пространством.  

• В памяти можно адресовать оперативную память, код и периферию.  

• Ядро позволяет переупорядочивать записи в память, что требует использования инструкций барьер.  

• Методы для работы с прерываниями просто записывают данные в регистры.  

• Использование библиотек для работы с периферией предпочтительнее, так как это упрощает понимание кода.  

• Важно понимать, как работает ядро Cortex-M0, чтобы эффективно использовать его возможности.  

• Для работы с чипом используется специальный набор программ, подготовленный автором.  

• В комплекте есть тимплейт проект и документация, необходимые для прохождения курса.  

• Автор надеется, что это поможет избежать проблем с запуском программ и сделает процесс обучения более удобным.  

• Файл действительно работает, презентация будет опубликована.  

• Файл состоит из папки "темплейт проджект" с папками "инклуды" и "сорцы".  

• В папке "сорцы" есть файл "стартап", который очищает память и инициализирует систему.  

• Файл "стартап" инициализирует систему тактирования и статические массивы.  

• Функция "систем инит" инициализирует систему тактирования и порты ввода-вывода.  

• В функции "мейн" инициализируются порты и светодиоды, а также обрабатываются прерывания.  

• GDB позволяет отлаживать программы, используя расширенную систему отладки в ядре.  

• Процесс отладки включает сброс состояния, установку брек-пойнта и запуск программы.  

• GDB позволяет мониторить состояние процессора и получать информацию о регистрах.  

• GDB позволяет отлаживать код в реальном времени, что делает процесс более реалистичным.  

• Файлы для работы с микроконтроллерами не предоставляются, они собраны для удобства работы.