Программирование микроконтроллеров *

Рассмотрен подход к созданию управляемого "бэкдора", позволяющего подгружать функции без остановки и перезагрузки. С помощью манипуляций с линкер-скриптом и средств языка C создаются "точки расширения" в прошивке, позволяющие в будущем внедрять новые функциональные модули без пересборки и перезаписи всей программы. Такой подход может быть полезен при разработке отказоустойчивых систем для оптимизации жизненного цикла встроенного ПО, так как позволяет заложить гибкость при непредвиденных модификациях.

Я Михаил — создатель и главный разработчик системы вэб приложений. Второй участник проекта — Владимир — разработчик мобильных версий и ответственный за SEO оптимизацию.

Так бывает, что в твоей клавиатуре всё нравится, кроме провода, который не добавляет эстетики и удобства. Поэтому у меня возникло желание сделать адаптер для превращения своей проводной клавиатуры в беспроводную.

Я уже предпринимал такую попытку в одной из своих статей. Описанный там адаптер представлял больше учебный интерес, чем имел практическое применение, так как прошивка представляла собой полноценный Linux, кастомизированный скриптами, и использовала слишком мощное (Raspberry Pi Zero 2 W) для такой простой задачи железо.

К той статье были написаны справедливые замечания, а сейчас я хочу их исправить.

«В Computer Science есть только две сложные вещи: инвалидация кэша и придумывание названий», — Фил Карлтон

Разрыв в производительности

Наш парсер логов обрабатывал 800 тысяч строк в секунду. Нам требовалось 3 миллиона строк в секунду. От нужного нам показателя мы отставали в 3,75 раза.

Задача инструмента заключалась в парсинге строк логов в реальном времени, извлечении временных меток, уровней логов и сообщений из миллионов строк в секунду. Обработка миллиона строк логов в текущей реализации требовала 1,25 секунды — слишком долго для анализа в реальном времени.

Профилировщик показывал 85 миллионов промахов кэша. Для обработки строк это казалось слишком большим показателем.

В реализации использовались стандартные строковые функции C — простые, читаемые, но, очевидно, слишком медленные.

Я переписал этот код, добавив обработку строк с учётом кэша. Результаты были такими:

В 4,5 раза быстрее и в 7 раз меньше промахов кэша.

В этой главе мы поговорим о том, как эффективно использовать кэш при обработке строк.

Эта статья является продолжением серии для демо-проекта на базе OpenPLC. В предыдущей части были рассмотрены программирование Raspberry Pi Pico W в режиме Modbus RTU/TCP Slave, управление реле через Ladder-диаграмму. Теперь пришло время добавить в схему CAN-шину.
Что добавляется в этой части: узел Pico W получает модуль MCP2515 и подключается к CAN-шине. Для этого в OpenPLC Editor написан пользовательский функциональный блок, который работает поверх ардуино-библиотеки и предоставляет доступ к CAN-шине из обычной Ladder-программы через глобальные переменные-маркеры %MW.

«Блокировки — это goto конкурентного программирования», — Морис Херлихи

Проблема 60%

Наша система логгинга тратила 60% своего времени на ожидание снятия блокировок. Не на выполнение полезной работы, только на одно ожидание.

Восемь ядер, пытавшихся записывать сообщения логов, имели общий кольцевой буфер. Реализация была простой: буфер защищался мьютексом. При высокой нагрузке, когда все ядра записывали логи одновременно, профилировщик демонстрировал ужасный паттерн: 60% тактов CPU тратилось на операции с мьютексом.

Пропускная способность: 850 тысяч сообщений в секунду. В восьмиядерной системе она должна быть гораздо выше.

«Можно ли улучшить ситуацию, отказавшись от блокировок?», — спросил меня мой менеджер во время ревью производительности.

Этот вопрос привёл к полной смене архитектуры...

В этом тексте я показал как настроить потоковую запись ADC семплов на микроконтроллере STM32.

ADC модуль это основа любого электронного измерения. Основа любого DMM. Всё что за корпусом микроконтроллера - это аналоговый мир. ADC это портал который позволяет аналоговым сигналам просачиваться в мир цифры.

Разработчики FPGA часто сталкиваются с необходимостью внедрения в свой проект софт процессора. Когда-то давно мы могли использовать проприетарные Altera NIOS или Xilinx MicroBlase. Но время идет. В последние годы наблюдается устойчивый тренд перехода производителей ПЛИС в сторону поддержки архитектуры RISC-V.

RISC-V это открытая, расширяемая и бесплатная архитектура набора команд (ISA), которая не требует лицензионных отчислений. Оба FPGA вендора Altera и Xilinx уже довольно давно предлагают и активно разрабатывают поддержку RISC-V в своих новых продуктах, теперь это уже софт процессоры NIOS V и MicroBlase V.

Однако, зачем использовать всё ещё проприетарные ядра, если можно использовать Open Source?

В этой статье я сравниваю два Open Source RISC-V микропроцессора:
1) picorv32 от компании YoSys (https://github.com/YosysHQ/picorv32) и
2) scr1 от Syntacore (https://github.com/syntacore/scr1)

Что буду сравнивать? Производительность софт ядер и занимаемые ресурсы в FPGA.
Как правильно сравнить? Использовать единую тестовую программу написанную на языке C, например Dhrystone, и скомпилированную в бинарный файл, или HEX файл и запускаемую в двух архитектурно одинаковых SOC, но с разными ядрами RISC-V.

> Названием «глухарь» птица обязана известной особенности токующего в брачный период самца утрачивать чуткость и бдительность, чем часто пользуются охотники

Защита программного кода — извечная битва меча и щита. Одни люди стараются создать устойчивые ко взлому программные и аппаратные продукты, другие пытаются эти решения сломать. Но что происходит, когда команда, специализирующаяся на взломе, выпускает на рынок свой продукт? Можно ли в этих обстоятельствах разработать устройство, защиту которого невозможно обойти?

Сегодня мы посмотрим внутрь флеш-картриджа для Nintendo Switch под названием MIG Switch и раскроем тайну его происхождения! Ну и в качестве побочного квеста победим защиту одного из самых современных микроконтроллеров на рынке.

Итак, в первой части я смело пообещал вторую статью «из одних картинок», но… мой маленький часовой кукушонок настолько похужал и возмудел за прошедшее время, что пришла пора знакомиться с ним, можно сказать, заново. Оптимизация не пощадила практически ничего, и, хотя я там же в камментах бо́льшую часть перемен отразил — всё равно надо начать с того, что же в сумме у нас получилось.

Представьте, что вы начали слушать новый альбом любимой группы, а за стеной активизировался сосед с перфоратором. Примерно так же «чувствуют себя» компоненты на плате смартфона, контроллера или роутера, которые соседствуют с высокочастотным тактовым генератором. Чем выше скорость передачи данных — тем сильнее шум соседского перфоратора: электромагнитные помехи. Обычно помогает экранирование или фильтрация определенных частот, но у этих способов есть свои недостатки и ограничения. 

Есть более элегантное решение — тактовый генератор с распределенным спектром (ТГРС). Мощность генератора остается прежней, а вот шум удается заметно снизить. Меня зовут Павел Кириченко, я автор курса «Схемотехника для начинающих» и ведущий инженер по разработке SoC в YADRO. В статье разберемся, как спроектировать ТГРС для последовательного интерфейса и рассмотрим два подхода к его архитектуре: с переменным коэффициентом деления и c фазовым интерполятором.

Добрый день, уважаемый читатель. Как и в других моих статьях, я решил что-то собрать полностью с нуля, а именно – машинку на радиоуправлении.

Будет описан мой пройденный путь: от печати готового проекта до разработки и печати новой платформы; от разработки первой версии печатной платы для использования коллекторного DC мотора до реализации управления бесколлекторным BLDC мотором с датчиками холла; от локального управления до реализации полудуплексного обмена данными на расстояние в сотни метров с передачей телеметрии.

Вновь потратил на разработку пару лет, но никуда не спешил. Это лишь мое хобби.

Получил письмо от декана азербайджанского университета ADA University в Баку с просьбой распостранить информацию, что они нанимают большое количество преподавателей. Декан кстати из России, уроженец Дагестана. В университете у них висят портреты как западных деятелей, так и российских - Чехова, Менделеева итд. Многие из преподавателей - азербайджанцы, которые ездили учиться в США и вернулись поднимать родину. Но есть и много иностранцев. Из студентов процентов 70% владеют русским, но 30% не владеют, плюс есть толика иностранных студентов, поэтому официальный язык всего английский. Но во время моего семинара два года назад мы переходили на русский по необходимости, как и разумеется студенты говорят на азербайджанском друг с другом и владеющим азербайджанским преподавателям.

Почему выбрал VFD и конкретно ИВ-18? Во‑первых, с детства нравились ВЛИ, особенно на всяческих аудио‑/видеомагнитофонах («Маяк-232-стерео», «Электроника ВМ-12» и подобные). Во‑вторых, у меня как раз появилась пара таких «трубок» и, коль скоро с ними «вживую» дела иметь ещё не приходилось, то интересно было их «запустить». В‑третьих, к тому моменту была уже освоена «технология» работы с газоразрядными индикаторами (они же — nixie, ИН-12 и подобные) и выглядело для меня всё как «ну, не должно быть сильно сложнее».

Может начать рисовать комиксы против проповедников ИИ, которые говорят "не смотри в генерируемый код, просто проверяй его в тестовом стенде"? Ниже первый эксерсиз.

ИИ не поняло как контролировать поток данных, поэтому оно сделало внутри сгенеренного им дизайна гиганскую очередь, которая сохраняла просто напросто все транзакции которые поступали от теста, и потом их по ходу дела использовало.

В тесте было около 10 тысяч транзакций. Я удвоил их количество - все тут же взорвалось - переполнение очереди - утеря данных - ошибка проверки против написанной вручную транзакционной модели.

А ведь если поставить такой блок в реальное устройство, там накрутится за полчаса триллион транзакций (гигагерц - миллиард в секунду - умножить на 20 минут по 60 секунд = 1200 миллиардов).

Это что же - поставить в чип двести триллионов D-триггеров для flop-based FIFO которое оно сгенерило? А если рассматривать худший сценарий работы за сутки - ставить квадриллион D-триггеров? Это чип размером с приусадебный участок.

Сделал в LinkedIn пост на английском:

В первой статье и второй статье мы заставили крутиться PMSM-мотор под управлением комплекта P-NUCLEO-IHM03, внедрив в прошивку поддержку FDCAN. Чтобы превратить DIY-проект в нечто более серьезное, нам нужен верхний уровень: наглядный интерфейс, интеграция с индустриальными стандартами и, конечно, немного магии современных LLM для диагностики.

Сегодня мы построим распределенную систему управления, где OpenPLC берет на себя логику, Node-RED — визуализацию, а AI-агент — роль инженера-диагноста.

В предыдущей статье мы подключили CAN bus к STM32-IHM03, настроили базовую коммуникацию и запустили управление PMSM-двигателем. Теперь пришло время расширить проект — добавить в него периферийный микроконтроллер в качестве удалённого I/O-узла и организовать логику управления с помощью OpenPLC.

В этой статье мы рассмотрим, как подключить Raspberry Pi Pico W по Modbus RTU к одноплатному компьютеру Orange Pi, запрограммировать микроконтроллер в среде OpenPLC Editor на языке контактно-релейных схем (LD) и удаленно управлять реле по Modbus. Попутно разберёмся с настройкой шилда RS485 CAN HAT, адресацией пинов и регистров.

«Плохие программисты беспокоятся о коде. Хорошие программисты беспокоятся о структурах данных и их взаимосвязях», — Линус Торвальдс

Споры о планировщике

Наша команда вела спор о структурах данных. Нам нужен был планировщик задач операционной системы реального времени, способный:

Вставлять новые задачи с приоритетом (O(log n))

Запрашивать задачу с наибольшим приоритетом (O(1))

Удалять задачу с наибольшим приоритетом (O(log n))

Кто-то предложил: «Давайте используем отсортированный массив». Но вставка будет занимать O(n) — придётся сдвигать элементы.

Кто-то ещё сказал: «Возьмём связанный список». Однако поиск наибольшего выполняется за O(n) — необходимо сканировать весь список.

Третий вспомнил о двоичном дереве поиска. Но из Главы 9 мы уже знаем, что BST ужасно ведут себя с кэшем.

Споры продолжались, пока кто-то не упомянул двоичные кучи. Покончить с разногласиями позволили результаты бенчмарка

На микроконтроллерах STM32 можно генерировать аппаратные PWM сигналы. Это всегда применяют для регулирования яркости свечения, управления температурой нагревателей, управления крутящим моментом на электрических моторах.

При этом на STM32 обычно очень легко регулировать частоту, заполнение и инвертировать фазу меняя полярность.

Однако как непрерывно регулировать фазу PWM?

В этом тексте я написал четыре способа управлять фазой PWM сигнала.

По созданию клавиатур на Хабре написано много статей, но, как правило, они подразумевают кастомизацию прошивки QMK или использование уже готовой.

Использование готовой прошивки удобно тем, что большинство шишек за вас набили её разработчики. Такой подход годится, если вы хотите получить отлаженное решение в сжатые сроки.

Для обучения и понимания работы клавиатуры, периферийных устройств и протоколов взаимодействия лучше изобрести свой велосипед. Так я и поступил.