MIPS Úvodné cvičenie

Cieľom tohoto cvičenia je zistiť, či máte pripravené všetky potrebné nástroje na prácu a otestovať ich. Okrem toho spravíme prvé kroky v assembleri.

HW: Budete potrebovať iba FEIkársku dosku Acrob ^{[REF 1]} alebo bežnú Arduino dosku a dokumentáciu k nej ^{[REF 2]} ^{[REF 3]} i k samotnému procesoru^{[REF 4]}. Žiadne ďalšie komponenty zatiaľ nebudeme potrebovať.

SW: Arduino IDE, Atmel Studio (postup uvedený nižšie)

Arduino

Hoci Arduino nebudeme poižívať bežne, jeho veľkou výhodou je, že to je veľmi rozšírený a preto aj dobre otestovaný systém. To znamená, že po nainštalovaní je všetko pripravené a malo by fungovať na prvý raz.

Stiahnite a naintalujte si najnovšiu verziu prostredia Arduino (arduino.cc, pre náročnejších existuje aj vyvíjané Arduino Pro IDE)
Priamo z prostredia si otvorte príklad Blink (File -> Examples -> 01. Basic -> Blink)
Zmeňte parameter funkcie delay z hodnoty 1000 na 200^[1]
Nastavte správny typ vašej vývojovej dosky (Tools -> Board -> Arduino AVR Boards -> Arduino Pro (pre Acrob) alebo Arduino Uno / alebo Arduino Nano)^[2]
Nastavte správne číslo portu ku ktorému je doska pripojená (Tools -> Port -> ComX)^[3]
Skompilujte program a nahrajte ho do dosky (Sketch -> Upload) a vizuálne skontrolujte či je všetko tak ako má byť.

Úlohy:

Na základe informácií z prednášky skúste porozmýšľať, na čo slúži príkaz pinMode(13, OUTPUT)? Vedeli by ste povedať, čo a kde nastavuje? A čo digitalWrite(13, HIGH)
Ako najrýchlejšie viete blikať LEDkou? (t.j. aký najkratší impulz viete vygenerovať na výstupe)
Viete nastaviť dva výstupy súčasne?
Sledujte na osciloskope^{[REF 5]} priebeh signálov na výstupe (predvedie cvičiaci).

Poznámky:

↑ Hodnotu delay meníme preto, lebo tento základný testovací program býva na doske často nahratý už od výrobcu, takže priamo po pripojení k USB sa LED dióda rozbliká s periódou 2sekundy. Zmenou hodnoty sa ubezpečíme, že skutočne funguje celý vývojový cyklus od prekladu cez linkovanie až po nahrávanie do procesora.
↑ Najmä čínske klony Arduino Nano majú v sebe nahratú staršiu verziu bootloaderu, preto treba vybrať z menu Tools -> Procesor -> ATmega328 Old Bootloader
↑ Číslo portu zistíte z Device Managera. Ten spustíte buď skratkou Windows + R a potom napíšete do políčka Open: devmgmt.msc Iná možnosť je, že poviete Hey Cortana, a potom ju požiadate Open Device Manager.

AVR Studio

Zo stránky https://www.microchip.com/en-us/tools-resources/archives/avr-sam-mcus si nainštalujte niektorú verziu vývojového prostredia

AVR Studio 5.1 je vhodný kompromis medzi veľkosťou a aktuálnosťou
Najnovšia verzia Atmel Studio 7 je pre naše účely zbytočne nafúknutá a nebudeme potrebovať podporu pre všetky procesory, ktoré ponúka

Staršia verzia AVR Studio 4 je oproti v5 naozaj malá a jednoduchá, ale treba si k nej doinštalovať zvlášť kompilátor avr-gcc, bez neho vie prostredie prekladať len z assembleru. Preto si predtým nainštalujte samostatný kompilátor WinAVR

AVR Assembler z príkazového riadku

Pre prvé pokusy si skúsime prácu len s assemblerom^{[REF 6]}.

Nepovinná časť (kliknutím rozbaliť / zbaliť)

V ľubovoľnom programátorskom editore napíšte nasledovný program a uložte si ho do C:\User\Meno\Documents pod názvom program01.asm

program01.asm

                .text
START:          SBI 0x04,5      ; DDRB.5 = 1 (t.j. Output)                            ; 1 SC
LOOP:           SBI 0x05,5      ; PORTB.5 = 1 (t.j. High, rozsviet LED)               ; 2 SC
                CBI 0x05,5      ; PORTB.5 = 0 (t.j. Low, zhasni LED)                  ; 2 SC
                RJMP LOOP       ; Skok na zaciatok                                    ; 2 SC
                .end            ; Koniec

Pri inštalácii AVR Studio 5 sa vám v zozname programov objavila ikonka AVR Studio Command Prompt ak tam nie je, spustite ručne tento program

C:\Program Files (x86)\Atmel\AVR Studio 5.1\extensions\application\StudioCommandPrompt.exe

v najnovšej verzii ho nájdete tu C:\Program Files (x86)\Atmel\Studio\7.0\Extensions\Application\StudioCommandPrompt.exe

Z príkazového riadku program preložíme (prípadne aj s --no-warn)

avr-as -mmcu=atmega328p -o program01.elf program01.asm

a skontrolujeme výsledok prekladu

avr-objdump -d program01.elf

vidno, že tu ešte kompilátor nevie presne kam tento kód príde, preto je .rjmp .+0 a tak musíme spustiť ešte linker

avr-ld program01.elf -o program01.out

a znova skontrolujeme výsledok prekladu

avr-objdump -d program01.out

vyrobíme ešte .hex verziu pre programátor

avr-objcopy -O ihex program01.out program01.hex

a pošleme program do mikroprocesora

"C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\tools\avr/bin/avrdude.exe" -C"C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\tools\avr/etc/avrdude.conf" -v -patmega328p -carduino -PCOM4 -b115200 -D -Uflash:w:C:\Users\YourName\Documents\program01.hex:i

Ak by sme niekedy potrebovali disassembler, tak pre uplnost

avr-objdump -m avr -D program01.hex

AVR Assembler v IDE

Podľa pokynov cvičiaceho si založte v IDE nový ASM projekt a vložte nasledovný zdrojový kód.

program01-1.asmprogram01-2.asm

START:          SBI 0x04,5      ; DDRB.5 = 1 (t.j. Output)                            ; 2 SC
LOOP:           SBI 0x05,5      ; PORTB.5 = 1 (t.j. High, rozsviet LED)               ; 2 SC
                CBI 0x05,5      ; PORTB.5 = 0 (t.j. Low, zhasni LED)                  ; 2 SC
                RJMP LOOP       ; Skok na zaciatok                                    ; 2 SC

                .INCLUDE "m328def.inc"

                .ORG 0

START:          SBI DDRB,PB5    ; DDRB.5 = 1 (t.j. Output)                            ; 2 SC
LOOP:           SBI PORTB,PB5   ; PORTB.5 = 1 (t.j. High, rozsviet LED)               ; 2 SC
                CBI PORTB,PB5   ; PORTB.5 = 0 (t.j. Low, zhasni LED)                  ; 2 SC
                RJMP LOOP       ; Skok na zaciatok                                    ; 2 SC

Druhá verzia programu využíva pre prehľadnosť aj symbolické názvy registrov a bitov, tak ako sú uvedené v datasheete, napr. PORTB, DDRB. Ako tieto definície vyzerajú viď m328def.inc

Program uložte, preložte a v simulátore odkrokujte. Sledujte dobu trvania jednotlivých príkazov.

Pomoc 1: Ak by vám niečo nefungovalo alebo si nie ste istí nastaveniami, môžete si stiahnuť pripravený celý projekt pre AVR Studio.

Pomoc 2: Ak AVR Studio naďalej nevie niečo preložiť, môže byť problém v tom, že vaše uživateľské meno obsahuje diakritiku alebo azbuku. Je to problém Win10, musíte si spraviť nejaké jednoduché username, napríklad Student alebo niečo podobné bez diakritiky a špeciálnych znakov.

Odbočka: ak ostaneme len pri blikaní LED diódy, aká najvyššia frekvencia má zmysel? -> Diódy LED#Maximálna frekvencia

Časovanie slučiek

V prostredí Atmel Studio odsimulujeme a vypočítame / odmeriame ako dlho trvá jednoduchý cyklus.

Založte si nový ASM projekt a vložte nasledovný kód.

program02-1.asmprogram02-2.asm

START:	SBI 0x04,5      ; DDRB.5 = 1 (t.j. Output)
LOOP:
		SBI 0x05,5      ; PORTB.5 = 1 (t.j. High, rozsviet LED)

		LDI  r18, 3
L1:		DEC  r18
		BRNE L1

		CBI 0x05,5      ; PORTB.5 = 0 (t.j. Low, zhasni LED)

		LDI  r18, 3
L2:		DEC  r18
		BRNE L2

		JMP LOOP		; Skok na začiatok

/* Ta ista verzia bez konkretnych adries a so symbolickymi nazvami */

           .equ Value = 3     ; Hodnota pocitadla 
           .def Index = r18   ; register na pocitadlo


START:     SBI DDRB,PB5       ; DDRB.5 = 1 (t.j. Output)
 LOOP:     SBI PORTB,PB5      ; PORTB.5 = 1 (t.j. High, rozsviet LED)

                              ; nasleduje casova slucka    for (int Index=Value; Index>0; Index--) { /* wait */ }         
           LDI  Index, Value  ; pocitadlo Index ma hodnotu Value (3)
   L1:     DEC  Index         ; odpocitaj 1
           BRNE L1            ; ak este Index nie je 0, tak skoc na L1

           CBI PORTB,PB5      ; PORTB.5 = 0 (t.j. Low, zhasni LED)

           LDI  Index, Value  ; taka ista casova slucka
   L2:     DEC  Index         ; 
           BRNE L2            ; pozor, nemoze byt L1!

           JMP LOOP           ; Skok na začiatok

Potom ho preložíme a odkrokujeme podľa pokynov cvičiaceho.

Blink v AVR Assembleri

Na záver si vyskúšame jednoduchý program s časovou slučkou na reálnom zaridení. Využijeme na to predošlý program s jednoduchou vnorenou slučkou na dosiahnutie dlhšieho času. Aby ste si blikanie LED diódy aj videli ľudským okom, potrebujeme dosiahnuť dlhší interval, minimálne 100 ms. Preto spravíme tri do seba vnorené čakacie slučky, kotrými už dosiahneme požadované oneskorenie, ak blikanie LED diódy bude aj viditeľné. Na presné časovanie použijeme výpočet, alebo automatický generátor^{[REF 7]}

program03.asm

/*
 *	Program03.asm
 *  
 *  LED Blink s periodou 200 ms a oneskorenie 
 *  delay vygenerovane tu http://darcy.rsgc.on.ca/ACES/TEI4M/AVRdelay.html
 *  Created: 11. 1. 2021 13:32:24
 */ 

START:	SBI 0x04,5      ; DDRB.5 = 1 (t.j. Output)
LOOP:
		SBI 0x05,5      ; PORTB.5 = 1 (t.j. High, rozsviet LED)

		CALL DELAY

		CBI 0x05,5      ; PORTB.5 = 0 (t.j. Low, zhasni LED)

	    CALL DELAY

		JMP LOOP		; Skok na začiatok

						; Assembly code auto-generated
						; by utility from Bret Mulvey	
						; Delay 3 199 992 cycles
						; 199ms 999us 500 ns at 16 MHz
DELAY:	LDI  r16, 17
		LDI  r17, 60
		LDI  r18, 201
L1:		DEC  r18
		BRNE L1
		DEC  r17
		BRNE L1
		DEC  r16
		BRNE L1
		NOP
		RET

Aby sme mohli preložený program aj nahrať do Arduino dosky, pridáme si do menu jeden príkaz, ktorý to spraví za nás. Otvoríme položku Tools -> External Tools (obr. vľavo) a vyplníme položky podľa obr. vpravo

Do políčka Title vložte názov, ktorý sa potom objaví aj v menu Tools, napríklad Arduino Upload.

Do políčka Command vložte

C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\tools\avr\bin\avrdude.exe

A do políčka Arguments vložte

-C"C:\Program Files (x86)\Arduino\hardware\tools\avr/etc/avrdude.conf" -v -patmega328p -carduino -PCOM5 -b115200 -D -Uflash:w:"$(ProjectDir)Debug\$(ItemFileName).hex":i

Pozor, tu uvedený port COM5 musíte zmeniť podľa toho, aké číslo portu pridelil systém vášmu Arduinu.

Začiarknite aj položku Use Output window.

Odteraz je nahrávanie do Arduina možné cez menu Tools -> Arduino Upload.

Ak ste všetko spravili správne, mala by vám LED dióda blikať na doske s periódou 200 ms.

Poznámka: nezaoberali sme sa samotným programovaním, ale zhrňme možnosti tu

paralelný programátor
programovanie cez SPI rozhranie (MISO/MOSI)
programovanie cez JTAG alebo debugWire
programovanie bootloaderom

Sem si odložíme aj link na výpočet FUSEs: https://www.engbedded.com/fusecalc/

Úlohy

Ak ste úspešne prišli až sem, pozrite si zadanie v Classroome a vyplňte formulár s otázkami. K zadaniu potom nahrajte aj fotografiu alebo video fungujúceho programu na vašom procesore.

Literatúra

↑ Acrob technical description
↑ Arduino UNO V3 pinout
↑ Arduino Nano pinout diagram
↑ Datasheet obvodu ~~Atmel~~ Microchip ATmega328P
↑ James Lewis: Benchmarking Arduino’s digitalWrite() with a Logic Analyzer
↑ AVR Instruction Set Manual. Atmel, 2016.
↑ B. Mulvey, T. Morland: AVR Delay Loop Calculator

Navigácia: 🡅 Zoznam cvičení | Nasledujúce cvičenie 🡆

[5] Hodnotu delay meníme preto, lebo tento základný testovací program býva na doske často nahratý už od výrobcu, takže priamo po pripojení k USB sa LED dióda rozbliká s periódou 2sekundy. Zmenou hodnoty sa ubezpečíme, že skutočne funguje celý vývojový cyklus od prekladu cez linkovanie až po nahrávanie do procesora.

[6] Najmä čínske klony Arduino Nano majú v sebe nahratú staršiu verziu bootloaderu, preto treba vybrať z menu Tools -> Procesor -> ATmega328 Old Bootloader

[7] Číslo portu zistíte z Device Managera. Ten spustíte buď skratkou Windows + R a potom napíšete do políčka Open: devmgmt.msc Iná možnosť je, že poviete Hey Cortana, a potom ju požiadate Open Device Manager.

[1] Acrob technical description

[2] Arduino UNO V3 pinout

[3] Arduino Nano pinout diagram

[4] Datasheet obvodu ~~Atmel~~ Microchip ATmega328P

[8] James Lewis: Benchmarking Arduino’s digitalWrite() with a Logic Analyzer

[9] AVR Instruction Set Manual. Atmel, 2016.

[10] B. Mulvey, T. Morland: AVR Delay Loop Calculator

[REF 1]

[REF 2]

[REF 3]

[REF 4]

[1]

[2]

[3]

[REF 5]

[REF 6]

[REF 7]