Таймери STM32 -- відлік часу/CMSIS

Почнемо вивчення роботи таймерів із найпростіших операцій. Найелементарніша така операція, яку вміє навіть SysTick -- відлік часу, який досягається генерацією переривань по проходженню певної кількості тіків таймера. 

Нагадаю, працюватимемо на прикладі STM32F100RB, яким обладнана STM32VLDiscovery. Для інших мікроконтролерів сімейства, скажімо, STM32F303, зміни будуть мінімальними, якщо взагалі будуть, навіть якщо користуватися виключно CMSIS.

Переривання таймерів

Генерація переривань, у просунутих (advanced control) і всіх решта (базовими та загального використання) таймерів дещо відрізняється. Просунуті таймери мають чотири різних лінії переривань, для кожного виду подій -- окреме, а решта таймерів -- користуються однією і тією ж лінією переривання для всіх подій. При тому, частина ліній також використовується іншою периферією, тому, перш ніж реагувати, варто перевіряти, від кого переривання прилетіло. 

Природу події можна вияснити, подивившись на біти регістра статусу, TIMx_SR. Подія оновлення (тобто, таймер дорахував до TIMx_ARR чи нуля, в залежності від напрямку рахунку -- вверх чи вниз), встановлюється біт UIF цього регістра. 

Список таких "комунальних" квартир переривань таймерів для STM32F100RB:

• TIM1_BRK_TIM15_IRQn, TIM1_UP_TIM16_IRQn, TIM1_TRG_COM_TIM17_IRQn,  TIM1_CC_IRQn -- як бачимо, три із чотирьох переривань єдиного просунутого таймера цього контролера, TIM1, використовуються спільно із іншими таймерами (TIM15/16/17).
• TIM2_IRQn
• TIM3_IRQn
• TIM4_IRQn
• TIM6_DAC_IRQn -- разом із перериванням від ЦАП (DAC)
• TIM7_IRQn

Зауважте, що таймери TIM12/13/14 у варіанта мікроконтролера STM32F100RB (у всіх Low i Medium density, якщо точніше) -- відсутні, є лише в High-density STM32F100.

Таймер SysTick

Тактування SysTick. Клікабельно.

Про цей таймер не раз писав раніше, та й інші автори про нього не забували. Однак в цьому блозі про нього завжди говорилося в глибині великих простирадл тексту, вирішив винести в окремий пост.

SysTick timer 

SysTick timer -- простий 24-бітний таймер, частина ядра Cortex M, тому присутній у відповідних мікроконтролерах всіх виробників. Належить до підсистеми контролера переривань, NVIC.

Відлік часу без таймерів

Альтернативний спосіб відліку часу

Кам'яна сокира. (c) Wiki

Відмірювати час за допомогою таймерів -- найбільш зручний і коректний спосіб. Однак, іноді він може не підходити, з тих чи інших мотивів. Одна з альтернатив -- чисто програмна затримка. Іншими словами, контролер змушують якийсь час виконувати задані інструкції. Якщо потік виконання один і переривань не виникає, такий спосіб доволі точний (а з перерахунку вимог, щоб він був точним, видно основні його недоліки). Важливо, що на відміну від x86, час виконання інструкцій мікроконтролера значно більш передбачуваний.

Наведений нижче приклад реалізації базується на коді з Leaflab Maple IDE, аналогу оболонки Ардуїно для STM32. Увага: Приклад може бути неточним -- особливо ретельно я не тестував.

Update: Див. також розвиток теми в "Мікросекундні затримки та відлік мікросекунд для STM32".

Таймери STM32 -- огляд

Працюючи із далекоміром, ми використовували те, що називають GPIO -- General Purpose Input-Output. В принципі, сяк-так воно задачу вирішує. Однак, повністю займає процесор, і взагалі -- неестетичне. Мікроконтролери, зазвичай, обладнані значно більш зручними засобами для вирішення таких задач -- таймерами та перериваннями. 

Переривання дозволяють програмі не очікувати на якусь подію, постійно перевіряючи щось типу "а що там на піні зараз? а тепер? а тепер?", а отримати нотифікацію про неї -- виклик певного коду у відповідь на появу події. Вони, безперечно, заслуговують окремої розмови (можливо, найближчим часом), але Cortex-M все організовує так, що обробники переривання  -- звичні С-ні функції, що викликаються у відповідь на подію. А ось таймери -- пристрої складні та різноманітні. Тому поговоримо поки про них. 

Далекомір HC-SR04 -- GPIO/висновки

Взято тут.

Як було показано в попередніх постах [1, 2, 3, 4, 5], працювати з HC-SR04 просто. Однак, описаний там спосіб -- з використанням GPIO, зовсім вульгарний. Контролери мають значно вишуканіші засоби вимірювати та керувати тривалістю імпульсів, ніж просто неперервно пильнувати за станом "ніжки": переривання, різноманітні потужні та гнучкі таймерів на додачу до SysTick. Про них і напишемо наступного разу. А тут підведемо підсумки GPIO-підходу. 

Результати вимірів у всіх підходів приблизно однакові (хоча метрологічної звірки й не проводив, але це і не було ціллю, про уточнення результатів поговоримо окремо). Акуратні порівняння швидкодії згенерованого різними  способами коду (особливо -- після оптимізації) вимагатиме багато зусиль -- більше, ніж я зараз тому можу приділити, тому, при всій важливості, теж поки не робитиму. 

Розглянемо те, що залишилося. Порівняємо особливості програмування різними способами та відповідні розміри прошивок i RAM. 

Щоб не дублювати весь код, розглянемо дві прості але важливі операції:

• ініціалізацію піну PB1 на виведення,
• виведення одиниці, 

 зроблені в рамках різних підходів.

Далекомір HC-SR04 -- GPIO/C++

Взято тут: "C++ template metaprogramming introduction"

C++

Раз вже цей приклад представлено в стількох варіантах, продемонструю, як C++ може бути корисним під час роботи з контролерами. Людина із ніком fede.tft запропонувала цікавий підхід спрощення роботи з STM32 і подібними пристроями, з використанням шаблонів та інших сучасних фішок С++: "STM32 GPIOs and Template Metaprogramming". Замість або плутаного, або багатослівного, підходів, описаних в попередніх постах, без втрати продуктивності (!), можна робити так:

typedef Gpio<GPIOB_BASE,1>  trig;
trig::mode(Mode::OUTPUT);
trig::high();
trig::low();

typedef Gpio<GPIOB_BASE,2>  echo;
echo::mode(Mode::INPUT);
if( echo::value() )
{
...
}

Далекомір HC-SR04 -- використовуючи GPIO/HAL/STM32CubeMX

Як вже говорилося, CMSIS -- занадто низькорівнева, SPL від неї не далеко втекла. Після років роздумів та роботи, інженери STMicroelecronics випустили чергову спробу --- пакет STM32Cube. Він складається із двох частин: 

• Коду для мікроконтролерів: бібліотеки, призначеної замінити SPL -- HAL, (Hardware Abstraction Layer) та всіляких middleware ("проміжних")  компонент -- бібліотеку підтримки FAT, бібліотеку для роботи із USB, TCP/IP  стек, RTOS, тощо.
• STM32CubeMX -- програми для комп'ютера, яка дозволяє графічно конфігурувати периферію, генеруючи код мовою С, який реалізує "намальоване". 

Після  кількох років дозрівання проект став дуже потужним. Особисті враження: як мало треба для щастя -- лише не виставляти ті сотні бітиків вручну, медитуючи над даташітами і аппнотами (appnotes). 

Подивимося, як із ним працювати, на прикладі нашого простенького коду роботи із далекоміром.

Інсталяція