Курс «Штурмуем STM32»
Данный курс является рефлексией и логическим завершением двухлетнего руководство кружком электроники на ИРИТ-РтФ, УрФУ (HEC – Hardware Engineering Club, позже IMEN – I Am an Engineer). Курс в был прочитан студентам 3-го курса Радиотехнического Факультета УрФУ в весеннем семестре 2016 года (отчёт), а также в осеннем семестре 2016 года школьникам СУНЦ УрФУ (отчёт). После курс был значительно переделан, добавлены новые темы, видоизменено устройство и опробован на десятиклассниках СУНЦ УрФУ осенью-зимой 2018 года. Заказать набор (3000 ₽ + доставка) можно связавшись с автором по электронной почте. В дальнейшем появится магазин.
Цель и задачи курса
Главной целью курса является попытка продемонстрировать весь жизненный цикл цифрового устройства: от первоначальной идеи до реализации и управления продуктом. Основными задачами являются: научить работать с технической документацией; показать основы программирования микроконтроллерной техники; объяснить, как проектировалось устройство (от идеи и схемотехнической реализации до конечной реализации и эксплуатации устройства).
Требования
Минимальный уровень компетенций, при котором можно начинать прохождение курса, подразумевает умение писать несложные программы на языке Си с использованием арифметических, логических и побитовых операций. Умение пользоваться циклами и условиями. Умение писать функции. Понимание процедурного и модульного программирования. Понимание законов Ома, Кирхгофа. Умение анализировать несложные электрические схемы. Полноценное прохождение курса требует наличие набора.
Поддержать
Знания должны быть свободными©. По этой причине все материалы находится в открытом доступе. Однако, была проделана не малая работа и потрачено очень много времени, чтобы изложить все в сжатой, но информативной форме. Моржа с набора не такая большая (меньше стоимости среднестатистического сертификата на coursera), а область весьма специфична и не популярна. Я буду рад любой поддержки данного сайта: вы можете купить набор, приобретя текст курса в виде книги (появится чуть позже), докупив книжку «Си для встраиваемых систем» или пожертвовать средства напряму. Все эти средства пойдут на еду, мотивацию создавать больше интересного материала и поддержания сайта (хостинг и домен стоят денег).
План курса
- Мотивация. Почему стоит заниматься электроникой и встраиваемыми системами в частности?
- Обзор набора. На чём вам придётся учиться?
- Рекомендации по сборке устройства. Пайка — это отдельный навык. Нужно не просто научиться прикладывать жало к нужным местам, нужно понимать что ты делаешь. К тому же в некоторых случаях стоит соблюдать порядок пайки.
- Стоковая прошивка. Описание возможностей стоковой прошивки, которая идёт в комплекте с набором.
Что такое микроконтроллер? Раскрывается понятие микроконтроллер, какими они бывают.
Что понимает микроконтроллер? Мы привыкли использовать десятичную систему счисления, но, увы, МК её не понимает...
Логические уровни и операции. Коротко о том, какой язык понятен микроконтроллеру.
Микроконтроллер под микроскопом. Что у микроконтроллера под капотом? Раскрываются понятия: регистр, система тактирования, архитектура и устройство памяти.
Библиотеки. Уровни абстракции над железом ускоряют разработку.
- Библиотека CMSIS. Общая библиотека для всех ARM Cortex-M ядер — CMSIS. Как она устроена и как ей пользоваться.
- Стандартная библиотека периферии. Старая библиотека от ST, которая до сих пор находит применение в реальных проектах.
- Низкоуровневая библиотека. Реинкарнация стандартной библиотеки.
- Слой аппаратной абстракции HAL. Абстракции мало не бывает. Как устроена библиотека HAL, в чём её преимущества и недостатки.
- Инструменты разработчика. Какие интегрированные среды разработки поддерживают stm32? Выбор среды разработки.
- Atollic TrueStudio. Официальная среда от компании ST.
- IAR Embedded Workbench. Проприетарная среда разработки IAR.
- Прошивка устройства. Как подключить программатор? Какой программой пользоваться?
- Генератор кода STM32CubeMX. Как быстро сконфигурировать проект и не копировать файлы библиотек самостоятельно?
- Простейшая программа. С чего начать программирование? Рассмотрим простейшую программу.
- Оформление кода. Код не стоит писать, как попало. Вводим некоторые соглашения.
- Структура проекта. В устройстве много функций, проводим декомпозицию, разбиваем программу на модули.
- Система тактирования МК. Заводим микроконтроллер от внутреннего генератора (HSI) и пропускаем частоту через умножитель PLL. Поверхностно рассматриваем блок RCC.
- Порты ввода/вывода общего назначения. Для управления внешними цепочками нужно использовать порты ввода/вывода. Как они устроены и как их настроить на нужную функциональность.
- Мигаем светодиодом. Применяем знания, полученные о модуле GPIO, мигаем светодиодом.
- Прерывания, события и NVIC. Некоторые события происходят асинхронно к выполнению программы. Знакомимся с понятием прерывание.
- Обработка нажатия кнопки. Настраиваем ножку на вход, настраиваем блок EXTI, отвечающий за внешние прерывания.
- Таймеры. Обзор. Что такое таймеры и что они умеют?
- Системный таймер — SysTick. В ядро Cortex-M3 входит системный таймер. Настроим прерывание по переполнению, организуем задержку.
- Работа с SysTick без прерывания. Для более коротких задержек, можно реагировать не на прерывание, а на флаг события. Переписываем задержку под нужны датчика температуры.
- Интерфейсы передачи данных. Что такое интерфейсы передачи данных? Какие они бывают?
- Датчик температуры DS18B20. Пишем драйвер для датчика температуры, работающего по протоколу 1-Wire.
- Таймеры общего назначения. Переполнение. Кроме системного таймера в stm32 предусмотрены и другие. Настраиваем базовый таймер.
- Длительное удержание кнопки. Усложняем поведение кнопки, вешаем несколько действий на одну кнопку.
- Работа с энкодером. Простое использование. Настраиваем таймер для работы с инкрементальным энкодером.
- Работа с энкодером. Указатель на функцию. Улучшаем работу с энкодером, добавляем возможность работать с разными переменными, через указатель на функцию.
- Широтно-импульсная модуляция. Таймер может формировать широтно-импульсную модуляции. Как это сделать и для чего это нужно? Димирование светодиода.
- Пьезоэлектрический излучатель. Тестирование. Как работает пьезоэлектрический излучатель? Какие частоты он может воспроизвести?
- Пьезоэлектрический излучатель. Мелодия. Мелодия это не только звуки определённой частоты, а ещё и паузы между ними. Как организовать мелодию?
- Пьезоэлектрический излучатель. Синхронизация таймеров. Улучшаем работу динамика, используем два таймера в и синхронизируем их между собой.
- Часы реального времени. Рассмотрим ещё один специализированный таймер. Делаем время более или менее точным.
- Аналого-цифровой преобразователь. Как преобразовать аналоговый сигнал в цифровой вид?
- Датчик освещённости. Если светодиодная матрица будет светить максимально ярко в ночное время, то она будет мешать спать. Используем АЦП для работы с фоторезистором.
- Интерфейс SPI. Как устроен интерфейс SPI, какие параметры важны в нашем устройстве? Рассматриваем возможные топологии.
- Драйвер микросхемы MAX7219. Настало время попробовать что-то вывести на светодиодные матрицы. Напишем драйвер для микросхемы MAX7219.
- Драйвер дисплея. Драйвера микросхемы недостаточно для вывода нужной нам информации на дисплей. Повышаем уровень абстракции.
- Машина состояний. Для организации прошивки в единую программу прибегнем к так называемой машине состояний.
Данные главы не приоритетные, и будут писаться постепенно.
- Прямой доступ к памяти. Копировать значения из одного адреса в памяти в другой занимает процессорное время. Данную операцию можно переложить на специальный модуль.
- Виды памяти. Какие виды памяти бывают, в чём их особенности?
- Внутренняя flash-память. Что делать, когда нет EEPROM? Где можно хранить настройки устройства?
- Идентификатор устройства. Откуда взять идентификатор устройства?
- Защита прошивки от копирования. Что нужно сделать, чтобы ваше устройство не скопировали?
- Загрузчик. Когда устройство уже у потребителя, а в прошивке обнаружилась ошибка, единственный правильный способ сохранить лицо — это дать пользователю возможность прошить устройство без программатора.
- Контрольная сумма CRC32. Об аппаратном модуле подсчёта контрольной суммы.
- Сторожевой таймер. Что если ваша программа зависнет? Устройство превратится в кирпич... что же делать, как быть?
- Внутренние каналы АЦП. Во всех МК stm32 есть встроенный датчик температуры. Какие у него особенности и как им пользоваться?
- Калибровка часов реального времени. Погрешность в любом случае будет, но как же её нивелировать?
- Интерфейс UART. Что из себя представляет интерфейс UART, и как с ним лучше работать?
- Режим низкого энергопотребления. Конкретно в нашем устройстве вопроса автономности не стоит, однако рассмотреть режим низкого энергопотребления МК и даже применить его нам ничего не мешает.
- Ошибки в железе. Как и в ваших программах, в микроконтроллере могут быть ошибки на уровне железа.
- Игра змейка. Подсказки, как реализовать игру.
- Как проектировалось устройство? Пора разобраться в том, как именно проектировалось устройство!
- Идея. Почему в качестве устройства в курсе были выбраны часы?
- Проектирование. Настало время разобраться как было спроектировано устройство. Какие критерии были поставлены, как выбирались компоненты и т.д.
- Разводка печатной платы. Мало того, что устройство спроектировано на бумаге, его нужно оформить в виде печатной платы. Делать это нужно с умом, поэтому давайте разберёмся с этим вопросом?
- Автоматизация проектирования. Раньше печатные платы рисовали руками (печатные дорожки, контактные площадки) в прямом смысле этого слова. К счастью XX век нам подарил компьютер, и задача немного упростилась. Какое программное обеспечение можно использовать?
При написании данного курса использовались следующие программные продукты: Sublime Text 3, Typora, KiCAD, InkScape.