Исользование UART в микроконтроллере sam3x8e и Arduino Due

Интерфейс UART жизненно необходим при разработке устройств на основе микроконтроллеров. Даже если ваш проект не подразумевает подключение устройства к компьютеру (что проще всего сделать через интерфейс UART), этот интерфейс может сильно помочь в диагностике и отладке прошивок.

Микроконтроллер sam3x8e обладает одним портом UART и аж тремя портами USART. В этом посте мы не будем касаться особенностей USART, скажу лишь что USART является надмножеством UART,  так что будем считать, что в нашем распоряжении 4 порта UART.

Как и вся остальная периферия, UART/USART управляется регистрами, которые отображены в адресное пространство микроконтроллера. Управляющие регистры портов находятся по следующим адрксам:

Порт	Адреса регистров
UART	0x400E0800-0x400E0924
USART1	0x40098000-0x40098124
USART2	0x4009C000-0x4009C124
USART3	0x400A4000-0x400A4124

У каждого порта имеются такие регистры (R в колонке "доступ" обозначает доступность регистра для чтения, W - доступность регистра для записи).

Смещение	Регистр UART	Регистр USART	Назначение	Доступ
0x0000	UART_CR	US_CR	Control register	W
0x0004	UART_MR	US_MR	Mode register	RW
0x0008	UART_IER	US_IER	Interupt Enable register	W
0x000C	UART_IDR	US_IDR	Interupt Disable Register	W
0x0010	UART_IMR	US_IMR	Interupt Mask Register	R
0x0014	UART_SR	US_SR	Status Register	R
0x0018	UART_RHR	US_RHR	Receive Holding Register	R
0x001C	UART_THR	US_THR	Transmit Holding Register	W
0x0020	UART_BRGR	US_BRGR	Baud Rate Generator Register	W
0x0100-0x0124	PDC Area	PDC Area	Registers controlling DMA

Для удобного доступа к этим ячейкам-регистрам в заголовочных файлах libsam определены такие структуры:


Видно, что функциаонально эквивалентные регистры USART и UART находятся по одинаковым смещениям, поэтому в функции, принимающие в качестве аргумента указатели на объект типа Uart можно передавать объекты типа Usart, и по идее в этом случае UART-подмножество функционала USART будет работать!

Обмен через Uart осуществляется примерно так: если передатчик готов принимать следующий байт, то в регистре статуса UART_SR выставляется бит UART_SR_TXRDY. Это значит, что в регистр UART_THR можно записать следующий передаваемый байт. После записи значения в ргистр UART_THR бит UART_SR_TXRDY в регистре UART_SR выставляется в 0 (передатчик не готов принимать следующее значение). Значение будет "храниться" в UART_THR до тех пор, пока сдвиговый регистр UART, обеспечивающий передачу битов предыдущего байта не освободится. Как только это произойдёт, значение UART_THR запищется в сдвиговый регистр UART, а бит UART_SR_TXRDY в регистре UART_SR выставляется в 1 (передатчик готов принимать следующее значение).

При приёме очередной байт также побитово записывается в сдвиговый регистр приёмника UART. Как только байт прочита полностью, он переносится в регистр UART_RHR, откуда его можно прочитать программно. При этом выставляется бит UART_SR_RXRDY в регистре UART_SR. Если к моменту заполнения сдвигового регистра, регистр UART_RHR не был прочитан, в регистре UART_SR выставляется бит UART_SR_OVRE (переполнение).

Инициализация порта Uart

Инициализацию UART можно осуществить примерно таким кодом:

Три метода работы с последовательным портом: поллинг, прерывания и прямой доступ к памяти

Пожалуй, самый простой способ общения с внешним устройством это просто прямой опрос содержимого регистров портов. Нужно просто достаточно часто проверять: пришёл/ушёл ли очередной байт. При приёме очередного байта нужно просто прочитать его из регистра UART_RHR и обработать. Соответственно при успешной отправке очередного байта, нужно положить в UART_THR очередной байт на отправку (если есть ещё данные для передачи). Такой периодический опрос устройства из основной программы называется английским словом поллинг -- polling.

Мне встречалась такая аналогия для поллинга: хозяин дома постоянно проверяет входную дверь: не пришли ли гости? Если от управляющей программы требуется одновременно делать что-то ещё кроме обмена данными с Uart-портом, то такой подход может усложнить разработку. Здесь на помощь приходят прерывания и прямой доступ к памяти (direct memory access, DMA).

Второй способ общения с портом заключается в том, что мы назначаем прерывание на различные события, происходящие в UART. Этими событиями могут быть либо приход нового байта через линию Rx либо отправка байта через Tx. В основной программе не надо думать о постоянном опросе регистров UART. Если вы хотите использовать прерывания при работе с UART, то при инициализации надо указать, на какие события мы хотим генерировать прерывание, выставив соответствующие биты в регистре UART_IER. В примере кода инициализации выше за это отвечает такая строчка:

UART->UART_IER = UART_IER_RXRDY | UART_IER_OVRE | UART_IER_FRAME;

Здесь мы включаем прерывание на приход очередного байта через Rx, ошибку переполнения и "ошибку фрейма" -- когда приёмник ожидает стоп-бит, но получает старотовый бит. Почему есть прерывание на приём, но нет прерывание на передачу? Просто мы пока что ничего не передаём. Как только начнём что-то отправлять, добавим прерывание на передачу байтов. Каждое устройство UART/USART имеет свой вектор прерывания, один на устройство. Разные события в одном и том же устройстве вызывают один и тот же обработчик прерывания. В этом обработчике надо проверить регистры устройства, чтобы понять, что за событие вызвало прерывание. Обработчик прерываний может выглядеть примерно так:

Механизм прямого доступа к памяти (DMA) позволяет ещё больше избавить центральный процессор микроконтроллера от необходимости отвлекаться на приём и передачу. Вместо этого усторойство (в нашем случае UART) само считывет из указанной области памяти данные байт за байтом (или слово за словом) и отправляет их на вывод, или наоборот последовательно складывает принятые данные в указанную область памяти. DMA не поддерживается некоторыми ARM Cortex M микроконтроллерами, например его нет в lpc1114. Но в ардуиновском sam3x8e он есть. В sam3x8e механизм DMA реализован единообразно для различных периферийных устройств (ADC, DAC, UART, USART и.т.д.). USART поддерживает дуплексный обмен с помощью DMA. Это значит, что в один и тот же момент времени данные могут передвавться из одного буфера в линию Tx, и приниматься через линию Rx в другой буфер. Механизм DMA эффективно сочетается с прерываниями: можно назначить прерывание на окончание приёма/передачи буфера и, например, назначить передачу по DMA следующего буфера. На самом деле в sam3x8e в мезанизме DMA аппаратно встроена "очередь" из двух буферов (об этом -- ниже), так что если вам надо передавать не больше двух раздельно лежащих буферов, то можно обойтись и без прерывание.

Итак, в таблице регистров UART/USART я указал, что по смещениям 0x100-0x124 лежит область PDC, регистров для управления DMA. Вот эти регистры:

Смещение	Регистр UART	Регистр USART	Назначение	Доступ
0x0100	UART_RPR	US_RPR	Receive Pointer Register	RW
0x0104	UART_RCR	US_RCR	Receive Counter Register	RW
0x0108	UART_TPR	US_TPR	Transmit Pointer Register	RW
0x010C	UART_TCR	US_TCR	Transmit Counter Register	RW
0x0110	UART_RNPR	US_RNPR	Receive Next Pointer Register	RW
0x0114	UART_RNCR	US_RNCR	Receive Next Counter Register	RW
0x0118	UART_TNPR	US_TNPR	Transmit Next Pointer Register	RW
0x011C	UART_TNCR	US_TNCR	Transmit Next Counter Register	RW
0x0120	UART_PTCR	US_PTCR	Transfer Control Register	W
0x0124	UART_PTSR	US_PTSR	Transfer Status Register	R

Эта "структура" не является специфичной для UART/USART. Точно такие же регистры есть и у другой периферии: ADC, DAC, SPI, TWI итд.  Для того, чтобы передать какой-то буфер с помощью DMA нужно записать в UART_TPR адрес начала буфера, а в UART_TCR количество байтов для передачи. Аналогично для приёма нужно записать в UART_RPR адрес начала буфера, куда будут записаваться принимаемые данные, а в UART_RCR -- количество принимаемых байт. С помощью регистра UART_PTCR можно управлять передачей данных. Например, записав в него бит UART_PTCR_TXTDIS мы остановим передачу данных, а записав бит UART_PTCR_TXTEN -- наоборот, запустим. Мы видим, что имеется "второй комплект" регистров для следующего передаваемого буфера: UART_RNPR, UART_RNCR, UART_TNPR, UART_TNCR. Они задают "следующие" передаваемые буфферы. Как только передача текущего буфера завершится, значения из из регистров UART_RNPR и UART_RNCR будут переданы в регистры UART_RPR и UART_RCR соответственно. Аналогично, регистры UART_TNPR, UART_TNCR будут перенесены в UART_TPR и UART_TCR и следующие буферы станут текущими.

Я создал репозиторий GitHub, в котором собрал кусочки с различными способами работы с UART (не заботясь о стиле и оформлении). Надеюсь этот пост поможет кому-то разобраться с UART в Cortex M3 микроконтроллерах фирмы Atmel. 

"Низкоуровневое" программирование Arduino DUE без использования среды Arduino

Если вы работаете с платой Arduino Due, у вас может возникнуть необходимость или желание избавится либо от среды разработки либо от библиотеки Arduino. Причины могут быть разными: например, вам нужно использовать язык C, а не Arduino/C++. Или плата Arduino Due подключена к машине, к которой у вас есть доступ только через терминал и командную строку. А может быть вы просто хотите написать весь низкоуровневый код самостоятельно чтобы получше разобраться в тонкостях работы микроконтроллера Atmel sam3x8e.

Моя "среда разработки" состоит из платы Raspberry Pi к которой USB-кабелем может подключаться плата Arduino Due. Клавиатура и монитор отсутствуют, всё взаимодействие через SSH и коммандную строку. На Raspberry Pi установлена операционная система Raspbian (адаптированный под RPi Debian Linux). Raspberry Pi обеспечивает ряд удобств: во-первых, если что-то пойдёт не так, вы скорее всего сожжёте относительно недорогой RPi а не свой основной компьютер. Во-вторых RPi имеет на борту разные интерфейсы, такие как I2C, GPIO, UART итд, которые можно использовать для свзяи с Arduino DUE. При этом платы совместимы по уровню напряжения 3.3В. В третьих репозитории raspbian содержат всё необходимое для работы с Arduino Due.

Для работы нам необходим в первую очередь подходящий "тулчейн" -- набор инструментов состоящий из компилятора gcc и сопутствующих программ.  Установим его из репозитория Raspbian:

>sudo apt-get install gcc-arm-none-eabi

Также нам понадобится утилита коммандной строки bossac, которая служит для прошивания ARM-контроллеров фирмы Atmel. Ставим из репозитория и её:

>sudo apt-get install bossa-cli

В принципе у нас теперь есть необходимый минимум для того, чтобы написать какую-нибудь программу для sam3x8e/Arduino DUE собрать её и закинуть бинарник в память микроконтроллера, примерно так же как я описывал в предыдущих постах (раз, два) про lpc1114. Наш контроллер sam3x8e как и lpc1114 построен по архитектуре ARM Cortex M (только теперь у нас более навороченный Cortex M3, а в lpc1114 был Cortex M0). Нам придётся найти в даташите адреса регистров соответствующей периферии в sam3x8e и управлять ей записывая туда и считывая оттуда данные.

Заметно облегчить задачу может библиотека от производителя микроконтроллера. В простейшем случае она может предствалять из себя набор заголовочных файлоа (*.h файлов), в которых адресам регистров и числовым значениям, зоответствющим различным служебным маскам сопоставляется мнемонические константы. Кроме этого в библиотеку может входить набор относительно низкоуровневых функций и типов, сильно облегчающий и ускоряющий разработку. Библиотека Arduino построена "поверх" такой низкоуровневой библиотеки libsam. На сайте Atmel предлагается скачать библиотеку ASF (Atmel Software Foundation). Сравнивая эти две библиотеки я пришёл к выводу, что libsam либо предшественник либо старая версия ASF. В них довольно много одинакового кода.

Лично мне оказалось проще стартовать с библиотекой libsam, наверно потому что я "выкидывал лишнее" из библиотеки Arduino. Лучше всего воспользоваться готовым "скелетом" C/C++ программы для Ардуино. Мне удалось найти несколько таких "заготовок-скелетов".

http://www.atwillys.de/content/cc/using-custom-ide-and-system-library-on-arduino-due-sam3x8e/?lang=en -- статья о программировании платы Arduino Due на С. С этой странички можно скачать файлы для создания структуры директорий необходимой для сборки ваших C-файлов. Необходимо иметь установленную среду Arduino, сконфигурированную для работы с Arduino Due и интерпретатор php. Скрипт на php "наполняет" директорию проекта копирую в неё из директорий Arduino программы для сборки, закачивание прошивки а так же библиотеки sam3x8e.

https://github.com/sethm/arm_skeleton -- содержит libsam (заголовочные файлы и исходный код), Makefile и файл main.c, в который вам просто нужно поместить свой код. Об инструментах (arm-none-eabi-gcc и bossac) нужно позаботиться самостоятельно, но это не проблема так как они есть в репозитории Raspbian. Нет никаких внешних зависимостей, поэтому всё заводится без проблем. Я остановился на этом "каркасе" для своих проектов и здесь будем рассматривать именно его.

https://github.com/pauldreik/arduino-due-makefile -- по сути просто один Makefile, который позволяет собирать Arduino-проекты (из файлов *.ino) используя лишь командную строку.

Итак, устанавливает "каркасс" по второй ссылке.

>git clone https://github.com/sethm/arm_skeleton.git

в файле main.c реализована программа "плавного" мигания светодиодом с помощью ШИМ. Меняем на свою, супер-примитивную программу мигания светодиодом без всякого ШИМ и плавности.

Для редактирования исходного кода через ssh-подключение я использую редактор vim.

Собираем:

>make

Если сборка прошла без ошибок, то в директории проекта появится файл main.c.bin. Подключаем "programming port" Arduino Due к USB-выходу Raspberry Pi. Прошиваем:

>make prog

После того, как прошивка будет отправлена в контроллер, он будет автоматически сброшен и светодиод должен начать мигать в соответствии с нашей программой.

Итог: мы научились программировать Arduino Due "на низком уровне" без среды и библиотек Arduino.