Учимся программировать микроконтроллеры
Привет Хабр. Мы хотим вам немного рассказать про один интересный недавний ремонт, а так-же свой опыт и инструкцию скачивания прошивки с ПЛИС ALTERA MAX.
Началось все с прибора Fluorophos FLM200 – прибор для проверки качества пастеризации молока.
В этой статье я подготовил обзор широко известной и доступной в продаже микросхемы Flash NAND памяти GD5F1GQ5xExxG. Согласно маркировке, это микросхема энергонезависимой NAND-памяти GigaDevice емкостью 128 МБ с доступом по интерфейсу SPI. Во второй части я расскажу, как установить на эту микросхему LittleFS — отказоустойчивую файловую систему, разработанную специально для микроконтроллеров.
Некий комментатор скормил ИИ мои посты про обучение школьников цифре на макетке, и иишница в частности ответило: “Высокий порог входа для части школьников. Проект предполагает понимание базовых вещей: что такое бит, такт, сдвиговый регистр, перенос, семисегментный индикатор”.
Это конечно ерунда полная. Школьники знают про арифметический перенос из того что их учили складывать столбиком числа во втором классе. Такт - это просто период между миганиями лампочки на модуле тактового генератора. Сдвиговый регистр они понимают по движению лампочек которое отображает его содержимое. А семисегментный индикатор они могут прощупать втыканием провода в пины идущие к каждому из светодиодов.
Но предоставим слово самим школьникам. Я сделал видео, но которых попросил трех школьников показать что они выучили и смогли смастерить после двух-трех сессий на викенды. Некоторые проекты они делали при мне, некоторые дома. Младшему, Матвею, дома помогал отец, но на одном из видео Матвей паяет проект при мне, на видео - так что это довольно чистый эксперимент:
“Обнаруженный в кустах рояль” под названием IAR i-Jet TRACE позволяет полноценную отладку SMP (Symmetric Multiprocessing) приложения, запущенного на нескольких ядрах многоядерного процессора, в данном случае это Allwinner T113.
Полноценная это значит: возможность старт-стоп отдельно каждого ядра, установка breakpoints для каждого ядра, просмотр регистров каждого ядра
В этой статье разговор пойдет о приложении на Java Card, бегающем на смарт-картах. На хабре уже есть несколько публикаций на эту тему, в своей же я бы хотел немного выйти за рамки стандартного “Hello World”. Здесь вы узнаете как собирать апплет, увидите пример размещения данных в апплет на этапе инсталляции, а также установим защищенный канал между Хостом и картой.
Производство пожаловалось: модуль WB-MGE v.3 на ESP32 шьётся слишком долго — 42 секунды на устройство. Что начиналось как простое «склеить вызовы esptool в один», превратилось в копание в исходниках загрузчиков на Си и Расте, патч прошивальщика, разгон системной шины, физику NOR-флеша (туннелирование Фаулера–Нордхайма — теперь я знаю что это такое), и в итоге ускорение почти в четыре с половиной раза. И да, совы оказались совсем не тем, чем казались.
Откройте любой учебный материал по FPGA. С вероятностью девяносто процентов он закончится мигающим светодиодом, бегущей строкой на семисегментнике или, в лучшем случае, генератором VGA-сигнала с цветными полосами. Это нормальные учебные задачи, но у них есть общее свойство, о котором редко говорят вслух: они работают сразу или не работают совсем. Прошили — мигает. Не мигает — перепроверили три строчки кода, нашли опечатку, мигает.
Реальная инженерная работа с ПЛИС устроена иначе. Реальная задача — это когда ваша микросхема должна разговаривать с другой микросхемой по протоколу, у которого есть спецификация на сорок страниц, четыре режима тактирования и подводные камни в каждом втором абзаце даташита. Когда «вроде работает» — это худший из возможных результатов, потому что «вроде» означает «упадёт у заказчика». И когда между «код написан» и «устройство работает» лежат недели верификации и отладки.
Эта статья - следующий шаг в моем обучении и попытка показать полный путь: от фразы "нам нужен SPI-контроллер" до момента, когда логический анализатор показывает красивые пачки импульсов на ножках кристалла. Здесь будут не только архитектурные решения и листинги, но и все ошибки, которые были сделаны по дороге: testbench, который врал, потому что master и slave-модель содержали один и тот же баг; гонка на один такт, из-за которой тест прерываний падал при исправном железе; и финальный детектив — прошивка, в которой SPI-сигналы честно генерировались... на других ножках, потому что файл назначения пинов на диске оказался не тем, который мы правили. Каждая такая история — это методика: симптом, гипотеза, эксперимент, причина, фикс.
Группа точек мониторинга орошения, распределённых в горной местности, днём нагревается на солнце, а ночью остывает — суточный перепад температур может достигать тридцати–сорока градусов. Обслуживающий персонал заметил, что с наступлением осени обратная передача данных с части узлов LoRa стала давать редкие потери пакетов, а после повторного включения питания работа восстанавливалась. Первой реакцией часто бывает переход на более дорогой термокомпенсированный кварцевый генератор (TCXO). Однако по мере того, как LoRa IP четвёртого поколения повысил толерантность к отклонению частоты, TCXO перестал быть ответом по умолчанию на все проблемы температурного дрейфа.
История создания GSM-DTMF-MQTT шлюза как замены телеграм (и вообще любых интернет-сервисов) в проектах домашней и не очень автоматизации.
Есть классический путь начинающего embedded-разработчика: взять Arduino (плата для прототипирования с микроконтроллером), подключить датчик через I2C, написать 30 строк кода, порадоваться результату. Потом взять микроконтроллер ESP32 — чуть мощнее, Wi-Fi из коробки, уже интереснее. А потом наступает момент, когда задача требует полноценного TCP/IP-стека, SSH-доступа, записи данных в базу, отладки через gdb (GNU Debugger, отладчик в Linux) и еще пяти вещей, для которых на микроконтроллере нужно написать половину ОС.
В предыдущем посте я писал о микрокоде и слое скриптинга. На этом этапе калькулятор почти полностью существовал только в ПО: в виде десктопного Qt-приложения, выполняющего симуляцию, или в виде страницы с WebAssembly в браузере. Это удобная среда для разработки и демонстрации, но это не калькулятор. Калькулятор должен лежать на столе, его можно взять и постучать по кнопкам.
Сегодня мы поговорим об этом этапе (за исключением издевательств над кнопками).
Когда на экране терминала появилось приглашение #, Flipper Zero уже сложно было назвать просто устройством для работы с радиопротоколами, NFC и инфракрасными пультами. Передо мной находился маленький Unix-подобный компьютер: с ядром, процессами, командной оболочкой и файловой системой на microSD.
У каждого датчика температуры и влажности в даташите написана своя погрешность. Но честная проверка — не читать даташит, а положить несколько штук в один и тот же воздух и снять показания в один и тот же момент. Я взял четыре популярных копеечных модуля с AliExpress — BME280, BMP280, AHT20 и HDC1080 — посадил их на одну шину I2C к одной ESP-шке и вывел всё на одну веб-страницу: у каждого датчика живое значение и график тренда, рядом.
Температуры совпали в пределах полуградуса. А вот с влажностью получилось интересно: один датчик показал на почти 10 процентных пунктов больше соседнего, который лежал в пяти миллиметрах от него. Ниже — как это выглядело, почему так вышло и на чём собран сам дашборд (спойлер: это несколько строк C++, без единой строчки фронтенда).
Несколько лет назад я купил MIDI-клавиатуру. И как это часто бывает с вещами, о которых долго мечтал: поигрался, сбил свой интерес и положил пылиться на полку. Но вот недавно у меня возникло желание сделать из MIDI-клавиатуры синтезатор.
Многие могут спросить: а в чём проблема? Взял МIDI-клавиатуру, подключил к компьютеру или смартфону с программой и играй сколько хочешь. Но у меня другая цель — понять, как нажатие на клавишу превращается в звук.
Это первая статья в серии про LoRa — технологию передачи данных, способную работать с сигналами ниже уровня шума. Протокол LoRa позволяют передавать данные на километры с очень небольшой мощностью передатчика — порядка 10 мВт или 10 дБм. При этом модули LoRa потребляют так мало энергии, что могут работать от одной зарядки аккумулятора год или больше.
На базе LoRa делают системы сбора данных с обширных территорий без подключения к интернету. Это могут быть, например, данные от счетчиков воды и электроэнергии, погодных станций, газовых котлов и другого оборудования. Также можно управлять устройствами на больших расстояниях.
С помощью LoRa можно сделать шлюз, который будет работать далеко от зоны покрытия интернета. Можно даже настроить передачу сообщений на большие расстояния вообще без интернета.
Из этой статьи вы узнаете, как появились устройства LoRa и почему они могут принимать сигналы ниже уровня шума. Вы узнаете, как работать с модулями LoRa, подключенными к микрокомпьютеру Raspberry Pi, научитесь конфигурировать эти модули с учетом ограничений законодательства, а также передавать с их помощью сообщения на километры. В завершение статьи я расскажу, как сделать простую погодную станцию, измеряющую температуру, давление и влажность. Данные будут передаваться через LoRa и отображаться на OLED-мониторах, подключенных к передатчику и приёмнику.
Встроенных шрифтов TFT_eSPI хватает ровно до того момента, когда интерфейс ESP32 хочется сделать аккуратнее обычного тестового стенда. В статье автор показывает браузерный генератор для Google Fonts и собственных TTF, а заодно объясняет, как устроен формат VLW и что важно учесть при работе со сглаживанием, LittleFS, переносами строк и размером файла.
В этом тексте я написал про то как настроить I2S трансивер работать в полнодуплексном режиме (Full Duplex). Показал как настроить на микроконтроллере STM32F407VG одновременное воспроизведение и запись встречного аудио потока по интерфейсу I2S.
Как известно существуют учебно-тренировочные электронные платы серии Nucleo. Там всегда есть вмонтированный программатор ST-link. Эти платы дешевы и очень удобны для отладки большой прошивки по частям. Однако родной программатор ST-Link долго прогружается и пошаговая отладка часто срывается прямо из-под IDE. Потом нет способа перезагруpить прошивку из-под отладчика ST-link. В связи с этим возникла потребность отлаживать прошивки на плате другим программатором: отладчиком Segger J-link.
Во время Холодной Войны существовало клише что якобы в США все индивидуалисты, а в СССР - коллективисты. С клише была неувязочка: в тот же период американский гуру менеджмента Питер Друкер писал одну за одной толстые книги, как организовывать работу коллективов людей в больших корпорациях. Его книги подхватили японцы, которые быстро применили идеи Друкера в своих компаниях и вышибли американцев из рынков микросхем памяти, бытовой электроники и автомобилей. Даже менеджер моего менеджера, китаец в корейской компании, подарил мне книжку Друкера на позапрошлое рождество.
Коллектив разработки в электронной компании - это двухмерная структура. С одной стороны, есть отделы: архитектуры, моделирования, логического проектирования, верификации, физического проектирования, post-silicon отладки итд. С другой стороны, каждый компонент (процессор, графический процессор, сетевой чип) состоит из пары десятков блоков, и вокруг каждого блока есть небольшие группы по пять-семь человек из всех этих отделов.
Можно попробовать дать школьникам представление о том, как выглядит совместная разработка и отладка с помощью проекта на нескольких макетных платах с микросхемами малой степени интеграции. А потом перенести это на SystemVerilog и FPGA платы. Например вот такого: сделать сумматор чисел бесконечной разрядности:
Одним из самых вдохновляющих моментов в разработке микроконтроллерных устройств является их первая установка и запуск в локальной сети. И этот же момент может превратиться в настоящий ад, когда процедуру приходится повторять десятки или сотни раз. Множество однотипных контроллеров, развертываемых одновременно, требуют часов монотонного конфигурирования — времени, которое любому инженеру хотелось бы провести с большей творческой пользой.
Для решения этой проблемы был разработан легкий open-source сервис с открытым исходным кодом и условным названием «esp-monitor».