Дисплей Nokia 5110 на контролері PCD8544 - бібліотека для STM32

За мотивами попереднього поста, написав бібліотечку для роботи із ним за допомогою STM32. Бібліотека ще зовсім сира, але нею вже можна користуватися. В подальшому її код знаходитиметься на Github, але поки прикріпляю архівом. Опис нижче орієнтується на System Workbench for STM32 та STM32F3Discovery, хоча ні те ні те не є принциповим.

Увага! Так як бібліотека мала б розвиватися, дана стаття може доволі швидко застаріти. Але гарантій не дам. :-)

Огляд 

В списку нижче, цифрами вказано номери виносок, розшифрованих в технічних подробицях. Отож, бібліотека:

• Дозволяє під'єднувати довільну кількість дисплеїв (1).
• Підтримує вивід тексту: окремих літер, С-стрічок,  чисел, та стрічок, форматованих у стилі printf() (2).
• Підтримує вивід довільних прямих. (5)
• Вміє виводити прямокутники, зокрема -- заповнені. (5)
• Вивід може відбуватися як "білими", так і чорними пікселями.
• Надає доступ до всіх режимів дисплею та безпосереднього керування його параметрами.
• На кожному дисплеї може використовуватися декілька незалежних вікон. Із кожним вікном пов'язаний свій "графічний" курсор, який задає лівий верхній кут виводу наступної літери (3).
• Для кожного дисплея підтримує свій "відео"-буфер, котрий при оновленнях передається на пристрій для відображення.
• Шрифт вкомільовується в код, моноширинний, але розмір символу не фіксується бібліотекою (4). 
• У шрифті по замовчуванню підтримується кирилиця -- українська та російська. Кодування -- ASCII + CP1251.
• На жаль, автоматично генерованої документації в коді ще немає. Планується. Поки дивіться код та користуйтеся цим постом. 

Далекомір HC-SR04 -- зміст

Взято тут -- із тексту
якраз про змісти.

Якось так, слово за словом, постів про ультразвуковий далекомір  HC-SR04 написав багато -- робота із ним виявилася напрочуд хорошим педагогічним прикладом. При чому, пости ці сильно розкидані по часу. Тому вирішив створити окремий зміст.

Більш пізні тексти, в значній мірі, покладаються на попередні. Ключове для даного поста повторюється, навіть якщо згадувалося раніше, але повністю не переказується -- без деталізації та пов'язаних міркувань. Також, наступні пости виходять із того, що міркування у попередніх зрозумілі і можна трохи менше розжовувати.

Проекти із кодом, який використовується в постах, зазвичай можна скачати за посилання в кінці посту. Історично склалося так, що проекти для CoIDE. В принципі, зараз перейшов на System Workbench for STM32, але якщо б взявся всі пости переносити -- їх написання точно б ніколи не завершилося. Та й STM32VLDiscovery він не підтримує.

Використано мікроконтролери сімейства STM32, детальніше в тексті.

Код, в основному, написаний на С -- використання C++ додало б декілька зайвих рухів, майже не додавши "педагогічної цінності". Однак, в своїх реальних проектах використовую С++. Проекти в міру (сподіваюся -- в міру) неохайні, хоч і старався, щоб зовсім потворними вони не були. Якщо бачите помилки -- пишіть. 

Див. також зміст суміжної серії постів: "Таймери STM32".

Далекомір HC-SR04 -- зовнішні переривання EXTI/HAL

Подивимося, що в порівнянні із використанням CMSIS, надає нам STM32CubeMX разом із HAL для організації обробки переривань від зовнішніх джерел, традиційно -- реалізувавши приклад із попереднього CMSIS-поста.

Периферія сконфігурована як і раніше:

• Trig -- пін PA10,  вивід. Ми керуватимемо ним третім каналом таймера TIM1.
• Echo -- PA6, генеруємо переривання.

"Малюємо" відповідну конфігурацію:

Далекомір HC-SR04 -- один таймер/HAL

Повторимо зроблене в попередньому пості, із використанням HAL/SMT32CubeMX. Такі, трішки нестандартні, режими роботи, HAL безпосередньо не підтримує, але і не заважає сильно -- все ж, абстракція, надана цією бібліотекою, зовсім тоненька.

Нагадаємо апаратну конфігурацію:

• TRIG -- PA6 (TIM3_CH1)
• ECHO -- PB0 (TIM3_CH3)
• PC8 -- синій світлодіод
• PC9 -- зелений світлодіод 

За потреби, Cube вміє автоматично робити ремапінг. Тут в ньому потреби немає:

Далекомір HC-SR04 -- два таймери/HAL

Традиційно, вирішимо задачу із попереднього посту, користуючись тим же підходом, з використанням HAL та SMT32CubeMX.

Апаратна конфігурація та ж:

• TRIG -- PA10  (TIM1_CH3)
• ECHO -- PA6 (TIM3_CH1, CH2 indirect)
• Світлодіод, яскравість якого показує віддаль до перешкоди -- PA0 (TIM2_CH1)
• Світлодіоди плати, як завжди, синій на піні PB8 і зелений на PB9
• TIM1 генеруватиме імпульс заданої довжини ~ 10-15 мкс, в ролі TRIG, на PA10
• TIM3 вимірюватиме тривалість імпульсу на лінії ECHO, PA6
• TIM2 -- PWM (ШІМ) на PA0

 Візуально це виглядатиме так:

Клікабельно!

Таймери STM32 -- зміст

Статей про таймери вийшло багато. Щоб краще орієнтуватися, пасує зробити зміст. Потім треба буде його зробити ще й для постів про далекомір. Аналогічний зміст для постів про далекомір.

Проекти із кодом, який використовується в постах, зазвичай можна скачати за посиланням в кінці посту. Історично склалося так, що більшість проектів проекти для CoIDE. В принципі, зараз перейшов на System Workbench for STM32, але якби взявся всі проекти переносити -- написання цих постів точно ніколи б не завершилося.

Розглядається використання CMSIS та HAL+STM32CubeMX. Код Cube та HAL розтинається та аналізується аж до рівня CMSIS -- безпосередньої маніпуляції регістрами.

На жаль, не передбачено простого візуального способу пропустити цей reverse engineering для тих, кому цікаво лише знайти підказку, як скористатися тією чи іншою можливістю. Однак, в тексті все-таки відділяється опис способі використання від аналізу подробиць роботи.

Таймери STM32 -- порівняння розмірів коду для CMSIS i HAL

В процесі написання серії постів про таймери склалася цікава ситуація. Ми маємо пари однотипних проектів, в одному із яких задача вирішується за допомогою CMSIS, у іншому -- HAL. При чому, для "HAL-проектів", код ініціалізація створювався за допомогою STM32CubeMX,  і є доволі громіздким, як ми не раз могли зауважити.

При чому, певна надія на оптимізатор компілятора залишається, але не надмірна -- оптимізації, які маніпулюють апаратними регістрами він просто "не посміє" робити.

Така ситуація дозволяє подивитися, скільки ж це задоволення -- зручне написання коду ініціалізації, коштує. При чому тут, на відміну від постів про далекомір, розмір C runtime i printf() не вноситиме величезну систематичну "похибку" -- він або присутній, або ні, в обох проектах одночасно.

Зауваження. Отримані вами значення для самостійно скомпільованих проектів можуть трохи відрізнятися, як через різні версії компілятора, так і через дрібні виправлення в проекті, з приводу яких немає бажання перекомпільовувати всі комбінації, лише щоб отримати уточнені на пару байт туди або сюди розміри для табличок нижче.

Якщо лінь, переходьте зразу до висновків.

Зовсім просто про акселерометр та магнітометр LSM303DLHC із HAL

Простий акселерометр. (c) Wiki

Плата STM32F3Discovery обладнана двома дуже цікавими сенсорами -- акселерометром і магнітометром, об'єднаними в одному корпусі -- LSM303DLHC та гіродатчиком (MEMS-гіроскопом) L3GD20.

Почнемо із акселерометра-магнітометра.

Документація на нього знаходиться тут: "Ultra compact high performance e-compass: 3D accelerometer and 3D magnetometer module", там же можна скачати офіційну документацію -- так-званий Datasheet (на жаль, посилання доволі швидко псуються, сайт часто реорганізовують, чи що, так що шукайте на сторінці). Щоб зрозуміти, як користуватися описаним в документації, варто почитати так-звані Appnote, наприклад: "AN3192 Application note: Using LSM303DLH for a tilt compensated electronic compass" (На жаль, на цей документ немає посилань із сторінки LSM303DLHC -- все ж, трішки інша модифікація, є хіба значно коротші, виду: "DT0058: Computing tilt measurement and tilt-compensated e-compass"). Бо із самої документації витягнути необхідне трохи важко -- це довідник, а не підручник...

Опишемо коротко його основні характеристики:

GPIO мікроконтролерів STM32F303 з використанням HAL

STM32F3Discovery

Виникла чисто практична потреба написати коротке введення в GPIO контролера STM32F303 плати STM32F3Discovery. Подумав, що є сенс зробити його в блозі. 

Серія про таймери, далекомір і продовження -- написана ще весною, але, на жаль, катастрофічно бракує часу довести її до ладу і опублікувати. Вірю, що скоро мені нарешті вдасться це зробити. Done. Див. відповідні теги: таймери, далекомір.

Працюватимемо із використанням візуального генератора конфігурації STM32CubeMX, бібліотеки роботи із периферією HAL та середовища System Workbench for STM32 (SW4STM32). 

Update 20-11-2016: виправлено прикру помилку -- додано заборону переривань при звертанні до змінних, що можуть бути модифіковані в їх обробниках. Прикру -- бо в таких простих прикладах вона себе проявляє рідко, але є дуже "фундаментальною", якщо можна так сказати про помилку.

Update 17-09-2017:  додано вирішення кількох типових проблем, що виникають при роботі із SW4STM32, оновлено пару посилань, дрібні стилістичні зміни.

Таймери STM32 -- одноімпульсний режим/HAL

Черговий пост в серії -- одноімпульсний режим, OPM, із використанням STM32CubeMX/HAL. Вирішимо тих же дві задачі -- реакція на кнопку, із затримкою та реакція на внутрішній тригер, яким служить подія переповнення іншого таймера. 

Запуск OPM кнопкою 

Почнемо із візуальної конфігурації:

Клікабельно! Знадобиться, щоб роздивитися конфігурацію таймера.

Таймери STM32 -- захоплення ШІМ/HAL

Приклади, які розглядаються в цій серії, свідомо дещо неконвенційні. Проблема в тому, що вирішити задачу, описану в документації, зазвичай справді так просто, як описано в документації. Однак, крок ліворуч-крок праворуч і складність може різко зрости. Тому вирішив спробувати продемонструвати ідею використання (таймерів у даному випадку), трішки відступивши від типових задач. Приклади, при тому, іноді стають надуманими, але, залишаючись простими (описуючи розв'язок реальної задачі, складно відділити особливості задачі від особливостей засобів), демонструють роботу із відповідним пристроєм під більшою кількістю кутів (особливо -- разом із прикладами з документації та appnote). 

Черговий такий приклад -- вирішена раніше, засобами CMSIS, задача визначення тривалості натискання кнопки із використанням режиму захоплення ШІМ. Задача, насправді, зовсім трішки відрізняється від "канонічної", із документації -- один таймер генерує ШІМ, інший його ловить, але дає можливість "помацати" таймер руками -- натискаючи кнопку.

Таймери STM32 -- захоплення вводу/HAL

Попрацюємо тепер із захопленням вводу засобами HAL. Як і в попередньому пості, фіксуватимемо час натискання кнопки. Вся логіка роботи -- та ж, що у згаданому пості -- по натисканню клавіші, під'єднаної до PA0, пін притягується до одинички, таймер у відповідь повинен зберегти момент натискання. В головному циклі програма виводить отримані значення, користуючись Semihosting. 

Традиційно, створюємо проект STM32CubeMX, вибираємо мікроконтролер і т.д. Далі, налаштовуємо таймер та пін кнопки:

Таймери STM32 -- автоматична зупинка/HAL

Аналогічно до відповідного CMSIS-поста, беремо проект, котрий генерує ШІМ, збільшуємо період до видимого оком значення -- нам потрібен один імпульс заданої тривалості, а не власне ШІМ та кажемо зупинятися після переповнення.

Для цього на вкладці pinout слід поставити одну "пташку" -- One Pulse Mode:

Потім, в Configure, налаштовуємо період і тривалість імпульсу:

Таймери STM32 -- внутрішні тригери/HAL

(c) Wiki

Повторимо "подвиг" CMSIS, розглянутий раніше, зробивши із двох 16-бітних таймерів один 32-бітний, засобами HAL.

Почнемо із візуального конфігурування:

Для головного (master) таймера просто вмикаємо тактування. Підлеглому, slave, вказуємо працювати в режимі External Clock Mode 1 та отримувати тактування від внутрішнього джерела ITR3, котре, як ми знаємо з попереднього поста, під'єднане до TRGO TIM4.

Таймери STM32 -- зовнішнє тактування/HAL

Ще один зовнішній годинник.
(c) Wiki

Повторимо зроблене в пості про зовнішнє тактування таймерів з використанням CMSIS за допомогою HAL та STM32CubeMX. Як завжди із графічними утилітами конфігурації і на відміну CMSIS-постів, тут буде багато картинок і мало власного коду. 

Проект, використаний тут, спільний для трьох постів -- цього і двох наступних, (про внутрішні тригери та біт OPM, засобами HAL) тому на елементи конфігурації, яка стосується інших таймерів, просто не звертайте уваги. 

Звичайно, краще було б зробити окремі проекти для кожного, але це чисто механічна робота, на яку мені бракує сил та часу, а ця серія постів їх і так забагато забрала.

Таймери STM32 -- ШІМ/HAL

Беремо STM32CubeMX проект із попереднього прикладу (із відліком) та додаємо до нього TIM3, який генеруватиме на своєму каналі CH2, під'єднаному до PA7, PWM (ШІМ), змінюючи яскравість світлодіода, як і в попередньому пості, але засобами HAL.

"Малюємо" проект

Конфігуруємо TIM3

Таймери STM32 -- відлік часу/HAL

Раніше ми розглянули як здійснювати найпростіші операції із таймерами, безпосередньо маніпулюючи їх регістрами. Звичайно, користуючись константами та функціями із CMSIS, але нічим більш високорівневим. Тепер подивимося, як це ж зробити за допомогою HAL. Важливо, що HAL -- лише бібліотека, якою користуватися можна по різному, сама по собі вона особливих переваг не надає. (IMHO, звичайно). Однак, STM32CubeMX вміє генерувати ініціалізацію периферії з візуальних налаштувань, користуючись цією бібліотекою. Це дуже спрощує розробку -- все ж, принаймні для мене, найбільша проблема роботи із такими контролерами -- сотні бітів конфігурації периферії, які слід вмикати і вимикати в правильній послідовності. Cube дозволяє, як мінімум, побачити правильну таку послідовність -- спрощуючи й "ручну" роботу з ними в майбутньому. Як максимум -- просто про це не турбуватися. Додаткова абстракція вносить свої труднощі, але серйозною проблемою це не є -- весь код доступний, навіть без додаткової документації можна розібратися, що-куди-як, а, як буде показано в подальшому, за ввімкненої оптимізації, при всій громіздкості (в порівнянні із ручною маніпуляцією регістрами) коду HAL/STM32CubeMX, зростання розмірів пам'яті обох видів -- цілком скромне. 

Отож, повторимо зроблене в попередньому прикладі, користуючись HAL. 

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 -- 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