Versuch 1. Labor Technische Informatik. Prof. Dr.-Ing. F.Kesel Dipl.-Ing. (FH) A. Reber

Transkript

1 Versuch 1 Labor Technische Informatik Prof. Dr.-Ing. F.Kesel Dipl.-Ing. (FH) A. Reber

2 Inhalt 1 Unterschiede zum 8051 Labor Neue Grundlagen für den Sourcecode Variablen Projektdateien Vorbereitung Aufgabe Grundlagen Pin/Portprogrammierung Port Struktur Die LED-Leiste Der Joystick Initialisierung von LEDs und Joystick Poti für den ADC Initialisierung des ADC SYSTICK Timer Aktivierung des SYSTICK Timers NVIC Nested Vectored Interrupt Controller Aufgaben zum Labor Lauflicht Arbeitspunkte Lernziele Joystick Arbeitspunkte Lernziele Variables Lauflicht mit Joystick Arbeitspunkte Lernziele Variables Lauflicht mit ADC Arbeitspunkte Lernziele

3 1 Unterschiede zum 8051 Labor Der größte Unterschied besteht darin, dass nicht mehr alles selber programmiert werden muss. Ein weiterer Unterschied ist, bedingt durch den Prozessor, in der Ansprache der Ports zu finden. Einfache, bitweise Portmanipulation kann nicht mehr so einfach gemacht werden, auch wenn der M3 Core Bitmanipulationen vom Befehlssatz her kennt. Im Labor werden deshalb vorhandene Module wie auch Strukturen verwendet, was auf der anderen Seite bedeutet, dass Sie sich mit diesen fertigen Sourcecodes beschäftigen müssen. Es wird auch vorkommen, dass bestehende Module erweitert und verändert werden. Auch wenn Sie sich nun in der Welt der 32 Bit-Mikrocontroller aufhalten, wird Speicherplatzverschwendung nicht geduldet. Keil Demos: Zum Schluss noch ein paar Hinweise zu den Demos, die im Keil-Verzeichnis zu finden sind. Viele dieser Demos dienen nur zu einem: Als Beispiel wie man es nicht machen sollte. Also ruhig anschauen und sich Informationen holen, doch auch darüber nachdenken, ob das so Sinn macht. 2 Neue Grundlagen für den Sourcecode 2.1 Variablen Es wird die Typdefinition und stdint.h verwendet, damit der gesamte Code portabel wird. Auch gilt nach wie vor die Regel, dass eine Variable nur dann signed ist, wenn der negative Teil benötigt wird und dass nur die Länge benutzt wird, die notwendig ist. Globale Variablen sind zu vermeiden, deshalb Zeiger verwenden. 2.2 Projektdateien Verwenden Sie grundsätzlich das Template-Projekt von der Laborseite (Ordner kopieren, umbenennen und neues Projekt im Ordner anlegen, vorhandene Dateien ins neue Projekt einfügen). Eigener Sourcecode wird grundsätzlich in *.c und *.h zerlegt. Sorgen Sie dafür, dass die Mehrfacheinbindung vermieden wird. Im Hauptfile.h wird dann das LPC17xx.h eingebunden, welches automatisch dafür sorgt, dass alle anderen Files eingebunden werden. 2.3 Vorbereitung Es sind grundsätzlich Blockschemata der Aufgaben zu erstellen, damit klar wird, wo welche Funktionen enthalten sind. Für die Hauptdatei kann auch ein PAP sinnvoll sein. 3 Aufgabe Grundlagen Pin/Portprogrammierung Alle komplexen Mikrocontroller haben das gleiche Problem: Die meisten Portpins sind mehrfach verwendbar. Das bedeutet für den Programmierer einen größeren Aufwand, bis er einen Pin nutzen kann und es besteht auch die Gefahr, dass bei falscher Programmierung der Pin zerstört wird. Diese Komplexität war mit ein Grund, warum CMSIS entstanden ist. Beim LPC17xx kann aus bis zu vier Funktionen pro Pin ausgewählt werden. Softwareseitig werden die Ports in Strukturen abgebildet, die über Zeiger angesprochen werden. Es besteht zwar die Möglichkeit, einzelne Portpins zu setzen oder zu löschen, ein einzelner Pin kann jedoch nicht auf seinen Zustand hin überprüft werden. Das muss nach wie vor mittels Einlesen des gesamten Ports und Maskierung geschehen. Hier kommt nun die Port- Struktur zum Einsatz, die es ermöglicht, den 32 Bit-Port in 16 Bit- oder 8 Bit-Blöcke zu teilen. Das hat den Vorteil, dass die Maske nur den benötigten Teil enthält und somit wird Speicherplatz gespart

4 3.1.1 Port Struktur Dies ist der Prototyp, der für Ports verwendet wird: typedef struct /* General Purpose Input/Output (GPIO) */ IO uint32_t FIODIR; IO uint16_t FIODIRL; IO uint16_t FIODIRH; struct IO uint8_t FIODIR0; IO uint8_t FIODIR1; IO uint8_t FIODIR2; IO uint8_t FIODIR3; // Richtungsregister, 32 Bit, D0..31 // 16 Bit, D0..15 // 16 Bit, D // 8 Bit, D0..7 // 8 Bit, D8..15 // 8 Bit, D // 8 Bit, D uint32_t RESERVED0[3]; IO uint32_t FIOMASK; Struct IO uint16_t FIOMASKL; IO uint16_t FIOMASKH; IO uint8_t FIOMASK0; IO uint8_t FIOMASK1; IO uint8_t FIOMASK2; IO uint8_t FIOMASK3; IO uint32_t FIOPIN; IO uint16_t FIOPINL; IO uint16_t FIOPINH; IO uint8_t FIOPIN0; IO uint8_t FIOPIN1; IO uint8_t FIOPIN2; IO uint8_t FIOPIN3; IO uint32_t FIOSET; IO uint16_t FIOSETL; IO uint16_t FIOSETH; IO uint8_t FIOSET0; IO uint8_t FIOSET1; IO uint8_t FIOSET2; IO uint8_t FIOSET3; // Reserve // Maskregister (Wird der Portpin bei einem // Zugriff beachtet oder nicht) // Pin Inhalt wenn Pin Input // Register zum Portpins setzen O uint32_t FIOCLR; O uint16_t FIOCLRL; O uint16_t FIOCLRH; O uint8_t FIOCLR0; O uint8_t FIOCLR1; O uint8_t FIOCLR2; O uint8_t FIOCLR3; } LPC_GPIO_TypeDef; // Register zum Portpins löschen - 3 -

5 Die Komplexität ist wesentlich größer als bei kleineren Controllern. Die oben angeführte Struktur ist jedoch nur dann von Bedeutung, wenn die Pins auch als GPIOs selektiert sind. Dies geschieht über eine weitere Struktur LPC_PINCON_typeDef genannt. Die Chipentwickler hatten jedoch ein Einsehen und haben den Resetwert der Register, die hinter dieser Struktur liegen, so gewählt, dass sie als GPIO selektiert sind. 3.2 Die LED-Leiste Vom TeachDongle war bekannt, dass die LED-Leiste am Datenbus angeschlossen ist und die Wertigkeit der Bits mit denen vom Datenbus korrespondiert. Dies ist beim MCB1700 nicht so, da die LEDs auf zwei GPIO-Ports verteilt sind, die auch noch Lücken aufweisen. Damit ist das Ausgeben eines 8 Bit Wertes oder ein Lauflicht nicht mehr so einfach zu realisieren wie beim Nachfolgend ist die Festlegung für die Zuordnung der Wertigkeit (2^x) zur LED angegeben. Port Pin P1.28 P1.29 P1.31 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 Wertigkeit Tabelle 1: Zuordnung Port Pin - Wertigkeit 3.3 Der Joystick Das MCB1700 hat neben den zwei Tastern noch einen Joystick, der aus fünf Tastern besteht, die mit Pins von Port 1 verbunden sind. Dabei sind vier Taster für die Richtungen zuständig und ein Taster für die Auswahl (Druckfunktion). 3.4 Initialisierung von LEDs und Joystick Nachfolgend ist die Initialisierung für beide Einheiten angegeben. /* Function that initializes LEDs & Joystick * */ void Port_Init(void) LPC_GPIO1->FIODIR3 = 0xB0; /* LEDs on PORT1 defined as Output */ LPC_GPIO2->FIODIR0 = 0x7C; /* LEDs on PORT2 defined as Output */ LPC_GPIO2->FIOMASK0 = 0x83; /* P2.0, P2.1 and P2.7 mask out */ } LPC_GPIO1->FIODIR &= ~((1UL<<20) (1UL<<23) (1UL<<24) (1UL<<25) (1UL<<26)); /* Joystick on Port1 defined as Input */ Damit wird sichergestellt, dass es zu keine Komplikationen mit anderen Einheiten auf dem Board kommt

6 3.5 Poti für den ADC Das Poti ist mittels Jumper mit AD0.2 verbunden. Dies ist einer von sechs ADC-Eingängen, die maximal Samples pro Sekunde bei 12 Bit-Auflösung bieten. Das LSB hat 806 µv bei einer Referenz von 3,3 V. 3.6 Initialisierung des ADC /* Function that initializes ADC * */ void ADC_init (void) LPC_PINCON->PINSEL1 &= ~(3<<18); // P0.25 back to GPIO LPC_PINCON->PINSEL1 = (1<<18); // P0.25 is now AD0.2 LPC_SC->PCONP = (1<<12); // Enable power to ADC block LPC_ADC->ADCR = (1<< 2) // select AD0.2 pin (4<< 8) // ADC clock is 25MHz/5 (1<<21); // enable ADC } LPC_ADC->ADINTEN = (1<< 8); // global enable interrupt Im Vergleich zu den LEDs ist diese Funktion weitaus komplexer, da jetzt auch die PinControl- und Pin- Powerregister beschrieben werden müssen, bevor der ADC konfiguriert werden kann. 3.7 SYSTICK Timer Dieser kleine Timer ist in allen Cortex-Derivaten enthalten und dient primär dazu, den Interrupt für einen Systemtimer zu erzeugen, wie er bei Betriebssystemen benötigt wird. Im Labor wird er für zyklische Events benutzt. 3.8 Aktivierung des SYSTICK Timers Da es sich um eine Einheit aus dem Core-System handelt, ist dafür auch schon eine Funktion vorhanden: SysTick_Config( ); /* Generate interrupt each 10 ms */ /* SystemFrequency / (Value-1) => SysTick Frequency */ Diese Funktion ist in der Datei core_m3.h zu finden, die sich bei obiger Einstellung alle 10 ms meldet. Da es sich um einen Interrupt handelt, muss auch eine zugehörige ISR geschrieben werden, die bei Keil den festgelegten Namen void SysTick_Handler (void) /* SysTick Interrupt Handler (for 10ms) */ Insert function here } hat

7 3.9 NVIC Nested Vectored Interrupt Controller Die Funktionsvielfalt des NVIC übersteigt die Laborzeit, weshalb hier nur auf seine Grundfunktion, das einfache Handling von ISRs eingegangen werden soll. Dieser Interruptcontroller ist in allen Cortex enthalten und stellt ein Highlight in der Controllerfamilie dar. In den alten ARMx Kernen gab es nur zwei Interrupts und es oblag dem Chiphersteller, eigene Interruptcontroller mit in seinen µc zu integrieren. In der Cortex-Familie hat nun jeder Kern den gleichen Controller, womit die arbeitsintensive Portierung, wenn sie überhaupt möglich war, entfällt. Um einen bestimmten Interrupt im NVIC freizuschalten oder zu sperren, werden die Funktion aus dem core_cm3.h benutzt: NVIC_EnableIRQ(IRQn); NVIC_DisableIRQ(IRQn); Dort finden sich auch noch weitere Funktionen zum NVIC, die noch einiges mehr bieten als nur Enable und Disable. Der Platzhalter IRQn ist ein definierter Name, der in LPC17xx.h zu finden ist. 4 Aufgaben zum Labor Lauflicht Als Erstes soll ein kleines Lauflicht mit Hilfe des SYSTICK-Timers realisiert werden. Der zugehörige IRQ-Handler soll die auftretenden IRQs zählen, so dass alle 250 ms die leuchtende LED weiter geschoben wird. Dies geschieht wie auch schon beim 8051 mit Hilfe einer Flagvariable, die in Main angelegt wird. Der Handler greift mittels Zeiger auf die Variable zu und signalisiert der Endlosschleife in Main mit einer gesetzten Flagvariable die Schiebeaufforderung. Nach Ausführung der Anforderung wird das Flag gelöscht. Die LEDs sind auf zwei 8 Bit-Ports verteilt, also erfolgt der Zugriff darauf mittels Byte-Pointer über eine Maske, die eine 1 für den entsprechenden Port enthält. Einzelne LEDs von Port 2 können mit folgender Anweisung gesetzt werden: LPC_GPIO2->FIOSET0 = led_mask[num]; /* Zugriff LEDs Port 2 */ Arbeitspunkte SYSTICK-Handler schreiben Masken für einzelne LEDs erzeugen Endlosschleife wartet auf Timerereignis-Flag und schiebt dann Schieben entsteht durch Löschen und Setzen von einzelnen LEDs Je eine Funktion für das Setzen und Löschen einzelner LEDs entwickeln Lernziele Nutzung von CMSIS Speichereffiziente Nutzung von Konstanten SYSTICK Effiziente Manipulation einzelner Portpins - 6 -

8 4.2 Joystick Nachdem nun die Position der LEDs geklärt ist, soll jede Taste des Joysticks einer LED zugeordnet werden und diese dann beim Betätigen einschalten. Ist der Joystick nicht aktiv, soll auch keine LED leuchten. Denken Sie daran, dass einzelne Pins gesetzt werden können. Für den Joystick gilt ähnliches, dort wird der Port 1 gelesen und mit Hilfe einer Maske die Bits selektiert, die mit dem Joystick verbunden sind. Danach wird ausgewertet, welche Taste gedrückt wurde und die entsprechende LED eingeschaltet. Da es um die Positionen der Joystick-Bits geht, ist es nicht notwendig, dass die Tasten gespeichert werden. Die zugewiesene LED leuchtet so lang, bis die Taste wieder inaktiv ist. Dies ist am einfachsten dadurch zu erreichen, dass gewartet wird, bis sich ein neuer Joystickwert ergibt. Da der Joystick fünf Tasten enthält, haben die Masken Bytegröße. Die Portpins sind aber so verteilt, dass sie ohne Umformatierung nicht mit einem Byte verknüpft werden können. Richtung Oben Links Rechts Unten Taster LED P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 Tabelle 2: Zuordnung Joystick - LED Arbeitspunkte Masken für Joystick erzeugen Formatierung für Einlesen Joystickabfrage in einer Endlosschleife Lernziele Ermittlung von einzelnen Portpinereignissen Speichereffiziente Nutzung von Konstanten Arbeiten mit Masken Effiziente Manipulation einzelner Portpins 4.3 Variables Lauflicht mit Joystick Die variable Steuerung entsteht dadurch, dass mit den oben und unten Tasten des Joysticks die Zählvariable des SYSTICK Timers manipuliert wird. Zu beachten ist, dass der neue Wert nur beim Reload des Zählers geladen wird, also der Joystick manipuliert nicht die Variable im IRQ-Handler. Die Tastenverriegelung für den Joystick darf das Lauflicht nicht blockieren. Das Intervall soll zwischen 100 ms und 2.5 s in 100 ms Schritten einstellbar sein Arbeitspunkte Joystick mit Lauflicht verknüpfen SYSTICK-Handler umschreiben Routinen mit Grenzwertbetrachtung für +/- des neuen Wertes erzeugen Verriegelung für >Joystick noch aktiv< entwerfen Lernziele Kommunikation und Datenaustausch zwischen Funktionen Grenzwertbehandlung Entwickeln von Funktionen ohne Blockierung anderer (hier die Tastenverriegelung) - 7 -

9 4.4 Variables Lauflicht mit ADC Die variable Steuerung entsteht dadurch, dass mit dem Potentiometer die Zählvariable innerhalb des SYSTICK Timers manipuliert wird. Der Timer stößt mit jedem Auftreten die AD-Wandlung an, das Ende wird dann per ADC-Interrupt gemeldet. Damit der ADC beginnt, wird folgende Zeile benötigt: LPC_ADC->ADCR = (1<<24); /* Start A/D Conversion */ Damit sinnvolle Werte entstehen, wird der 12 Bit-Wert auf 8 Bit verkürzt Arbeitspunkte ADC Initialisieren ADC-Handler schreiben Grenzfall ADC-Wert = 0 lösen SYSTICK löst AD-Wandlung aus Lernziele Umgang mit dem ADC Grenzwertbehandlung - 8 -