Rdzenie ARM Cortex-M są obecnie powszechnie stosowane przez producentów mikrokontrolerów.

Książka jest łagodnym wprowadzeniem do techniki mikrokontrolerów zbudowanych w oparciu o klasycznego przedstawiciela tej rodziny, czyli Cortex-M3. Rozpoczyna się od pojęć podstawowych, takich jak bit, bajt, reprezentacja liczb w komputerze.

Opisane są przykładowe projekty: obsługa wyświetlacza i klawiatury, transmisja szeregowa ModBus, przetwarzanie analogowo-cyfrowe ADC/DAC oraz regulatory PID i z lokowaniem biegunów.

Ostatni rozdział to projekt prostego systemu czasu rzeczywistego RTOS.W przykładach używane jest środowisko programistyczne µKeil (wersja bezpłatna ma ograniczenie do 32 kB kodu).

Rozdziały:

Oznaczenia                      15
Wstęp                          17
Zalety regulacji cyfrowej                    17
Podstawowy układ regulacji                 18
Płyty rozwojowe używane w książce                 21
Nazewnictwo (terminologia)                   23
Przedrostki dwójkowe i przedrostki SI              23

1. Historia architektury ARM                   25
1.1. Acorn – początki                  25
1.2. Narodziny procesorów ARM                 25
1.3. Advanced RISC Machines Ltd                26
1.4. ARM i sprzedawcy mikrokontrolerów               27
1.5. Zalety procesorów Cortex-M                 27
1.5.1. Niski pobór energii               27
1.5.2. Moc obliczeniowa                  27
1.5.3. Efektywność energetyczna             28
1.5.4. Gęstość upakowania kodu                29
1.5.5. Przerwania                    29
1.5.6. Łatwe w użyciu, zorientowane na język C         29
1.5.7. Skalowalność                   29
1.5.8. Uruchamianie programów             29
1.6. CMSIS Cortex Microcontroller Software Interface Standard         29
1.6.1. Struktura CMSIS                  30
1.6.2. CMSIS-Core                   31
1.6.3. CMSIS-RTOS                   31
1.6.4. CMSIS-DSP                 31
1.6.5. CMSIS-Driver                   31
1.6.6. CMSIS-SVD                   31
1.6.7. CMSIS-DAP                   32
1.6.8. CMSIS-Pack                 32

2. Reprezentacja liczb całkowitych               33
2.1. Półprzewodniki                     33
2.2. Bit, czyli najmniejsza jednostka informacji           39
2.2.1. Działania logiczne                  39
2.3. Reprezentacja Danych                   40
2.4. Liczby binarne, oktalne, dziesiętne i hexadecymalne           41
2.5. Liczby całkowite bez znaku               43
2.6. Liczby całkowite ze znakiem                 44
2.6.1. Kod uzupełnień do jedności U1            44
2.6.2. Kod uzupełnień do dwóch U2               45
2.7. Dodawanie i odejmowanie liczb bez znaku, flaga Carry          46
2.8. Dodawanie i odejmowanie liczb ze znakiem, flaga Overflow         47
2.9. Jak kompilator tłumaczy instrukcję if (a < b)             49
2.10. Stringi (ciągi znaków) w pamięci                50
2.10.1. Unicode Transformation FormatUTF-8            50
2.10.2. Stringi                     51

3. Jak działa procesor                     53
3.1. Tłumaczenie kodu źródłowego C na kod maszynowy           54
3.2. Ładowanie programu maszynowego do pamięci            56
3.2.1. Architektura Harvard versus Von Neumann           56
3.2.2. Rozmieszczenie obszarów pamięci           59
3.3. Rejestry wewnętrzne procesora              63
3.4. Wykonywanie programu maszynowego            67

4. Zestaw uruchomieniowy z procesorem STM32F103VB         71
4.1. Wprowadzenie                     71
4.2. Rodzina mikrokontrolerów STM32             71
4.3. Zestaw uruchomieniowy                73
4.4. Dokumentacja Cortex-M3 i STM32F103              74
4.5. Programator                   75
4.6. Środowisko IDE Keil μVision                 76
4.6.1. Zintegrowane środowisko programistyczne         76
4.6.2. Instalacja środowiska μVision            77
4.7. Cortex Microcontroller Software Interface CMSIS         77
4.8. Nasz pierwszy projekt: Projekt00                79
4.8.1. Opcje projektu                   82
4.8.2. Symulacja komputerowa                90
4.9. Reset and Clock Control (RCC)              96
4.9.1. Reset                   96
4.9.2. Taktowanie mikrokontrolera – sygnały zegarowe          96
4.10. Porty GPIO                      98
4.10.1. Wejście: oporniki Pull Up i Pull Down          99
4.10.2. Wejście, przerzutnik Schmitta               100
4.10.3. Wyjście GPIO: komplementarne lub otwarty dren       101
4.10.4. Szybkość wyjścia GPIO              103
4.10.5. Jak dołączyć diodę LED do mikrokontrolera?        104
4.11. Projekt01 LED, migająca dioda              106
4.11.1. Tworzymy nowy projekt              106
4.11.2. Plik stm32f10x conf.h                 106
4.11.3. Inicjalizacja RCC i GPIO                107
4.11.4. Z jakim parametrem należy wywołać Delay(), aby uzyskać 1 s?      109
4.11.5. Dołączamy zewnętrzną diodę LED           110
4.11.6. Oscyloskop: szybkość wyjścia GPIO             111

5. Zestaw instrukcji ARM ISA                   113
5.1. Zestawy instrukcji ARM                113
5.2. Budowa procesora Cortex-M                 115
5.3. Format instrukcji asemblerowej              116
5.4. Struktura programu asemblerowego             117
5.5. Dyrektywy asemblera                   119

6. Instrukcje arytmetyczno-logiczne               123
6.1. Rejestr Flag                   123
6.2. Modyfikowanie flag                 125
6.3. Instrukcje przesunięcia i obrotu              126
6.4. Instrukcje arytmetyczne                128
6.4.1. Instrukcje dodawania i odejmowania             128
6.4.2. Instrukcje krótkiego dzielenia i mnożenia         129
6.4.3. Instrukcje długiego mnożenia               129
6.5. Instrukcje nasycenia                 129
6.6. Dwuargumentowe działania logiczne               130
6.6.1. Maski bitowe                   131
6.6.2. Definiowanie masek za pomocą dyrektywy EQU       131
6.6.3. Operatory logiczne w C              132
6.7. Kolejność bitów i bajtów                132
6.8. Zmiana typu liczby całkowitej                 133
6.9. Instrukcje porównań                 134
6.10. Przesyłanie danych pomiędzy rejestrami              135
6.11. Przepisz określony fragment rejestru               136

7. Instrukcje przesyłania danych                  137
7.1. Wpisanie danej do rejestru                  137
7.1.1. Instrukcje przesyłania danych MOV i MVN           138
7.1.2. Pseudoinstrukcje LDR i ADR               138
7.2. Big Endian oraz Little Endian                 140
7.3. Dostęp do danych w pamięci               141
7.4. Adresowanie pamięci                   141
7.4.1. Pre-index, Post-index oraz Pre-index with Update       141
7.4.2. Instrukcje Load i Store              142
7.5. Load i Store z listą rejestrów               143

8. Instrukcje rozgałęzień Branch                  145
8.1. Testowanie warunków                   145
8.2. Instrukcje rozgałęzień                   147
8.3. Warunkowe wykonanie instrukcji                148
8.4. Instrukcja kompilatora If-then                 150
8.4.1. Złożone wyrażenie logiczne z OR           150
8.4.2. Złożone wyrażenie logiczne z AND             151
8.5. Instrukcja kompilatora If-then-else             151
8.6. Instrukcje pętli                     152
8.6.1. Pętla For                  152
8.6.2. Pętla While                 153
8.6.3. Pętla Do while                   154
8.7. Instrukcja kompilatora Switch                 154

9. Wyświetlacz LCD 1602                    157
9.1. Wymiana danych z wyświetlaczem (4 bity danych)         159
9.2. Instrukcje                    160
9.3. Projekt02 LCD                  163

10. Programowanie strukturalne                175
10.1. Podprogramy                   176
10.2. Stos                        177
10.3. Ochrona rejestrów w podprogramie             178
10.4. Przekazywanie parametrów przez rejestry              179
10.5. Projekt03 asm                     180
10.5.1. Bit parzystości – przekazywanie wartości         180
10.5.2. Wyszukanie największej liczby – przekazywanie wskaźnika       181

11. Kontroler przerwań NVIC, SysTick i RTC            183
11.1. Przerwania                      183
11.2. Tryby i stany pracy procesora                 184
11.3. Program obsługi przerwania ISR                185
11.4. Układ zarządzania przerwaniami NVIC            187
11.4.1. Priorytety przerwań               189
11.4.2. Funkcje CMSIS do obsługi NVIC           190
11.5. Zegar systemowy SysTick                  191
11.6. Projekt04 SysTick                    192
11.7. Przerwania zewnętrzne                   194
11.8. Klawiatura matrycowa 4 ×4                 196
11.9. Projekt05 keypad                    199
11.10. Projekt06 scanf                  202
11.11. Zegar czasu rzeczywistego RTC              204
11.11.1. Czas UNIXowy                204
11.11.2. Konfiguracja zegara RTC                205
11.12. Projekt07 RTC                    206

12. Liczniki i sterowanie PWM                   207
12.1. Budowa licznika i tryby zliczania                207
12.2. Odmierzanie odcinków czasu                 209
12.3. Projekt08 toggleLED                   211
12.4. Pomiar długości impulsu                214
12.5. Projekt09 TIM2switch, eliminacja drgań styków            216
12.6. Projekt10 RadioControl                220
12.7. Projekt11 6WheelDrive                226
12.8. Projekt12 DistanceSensor, dalmierz ultradźwiękowy           231

13. Płyta STM3210E-EVAL, silniki krokowe             235
13.1. Katalog ARM2CortexM3-STM3210E-EVAL             236
13.2. Projekt01 LED                  237
13.3. Projekt14 TFTLCD                 238
13.3.1. Kolory                     239
13.3.2. Tekst                   240
13.3.3. Grafika                     241
13.3.4. Zdjęcia i obrazki                  241
13.4. 4-Pin Trace ETM                  241
13.4.1. Opóźnienie programowe                243
13.5. Silnik krokowy                     245
13.5.1. Silnik o zmiennej reluktancji VR – variable reluctance        245
13.5.2. Silnik z magnesem trwałym PM – permanent magnet      246
13.5.3. Silnik hybrydowy HB – hybrid motor          246
13.5.4. Silniki krokowe unipolarne i bipolarne          248
13.5.5. Sterowanie falowe (jednofazowe)              249
13.5.6. Sterowanie pełnokrokowe (dwufazowe)          249
13.5.7. Sterowanie półkrokowe              249
13.6. Projekt15 StepperMotor                250
13.6.1. Płyta ZL27ARM                  252
13.6.2. Płyta STM32F10E-EVAL                253
13.7. Indukcyjność                   254
13.7.1. Stała czasowa obwodu RL                254
13.7.2. Sterowanie L/nR                257
13.7.3. Sterowanie z kluczowaniem prądu           258
13.7.4. Sterowanie bipolarne silników krokowych         260
13.7.5. Wolne i szybkie rozładowanie energii uzwojenia          260
13.8. Projekt16 StepperMotor                261

14. Liczby wymierne stałopozycyjne               265
14.1. Binarna arytmetyka stałopozycyjna             266
14.1.1. Liczby stałopozycyjne bez znaku              266
14.1.2. Liczby stałopozycyjne ze znakiem           267
14.1.3. Konwersja liczby wymiernej do postaci stałopozycyjnej        267
14.1.4. Kompromis pomiędzy rozdzielczością a zakresem       268
14.1.5. Arytmetyka stałopozycyjna z nasyceniem         268
14.2. Działania niezależne od formatu              269
14.2.1. Negacja i moduł liczby              269
14.2.2. Dodawanie i odejmowanie             270
14.3. Działania zależne od formatu (Q15.16)            271
14.3.1. Mnożenie stałopozycyjne                272
14.3.2. Dzielenie stałopozycyjne Q15.16              274
14.3.3. Dzielenie liczb 64-bitowych ze znakiem            276
14.3.4. Operacje pomocnicze na liczbach 64-bitowych        278
14.3.5. Dzielenie liczb całkowitych dodatnich long division         279
14.4. Projekt17 FixedPoint sin                  282
14.5. Projekt18 cube3D                    284
14.5.1. Obroty na płaszczyźnie              284
14.5.2. Macierze obrotu                285
14.5.3. Złożenie obrotów na płaszczyźnie           286
14.5.4. Obroty w przestrzeni R3                287
14.5.5. Złożenie obrotów w przestrzeni R3           288
14.5.6. Projekt18 cube3D                  289
14.6. Projekt19 cube3D FixedPoint              290

15. Bezpośredni dostęp do pamięci DMA                291
15.1. DMA Bus Matrix                    292
15.2. Kanały DMA                   293
15.3. Programowanie DMA                   296
15.4. Projekt20 DMA M2M                297

16. Przetwornik analogowo-cyfrowy ADC                299
16.1. Przetwornik ADC z sukcesywną aproksymacją          299
16.1.1. Próbkowanie                 300
16.1.2. Kwantyzacja                 302
16.1.3. Kodowanie                 304
16.2. Kanały wejściowe ADC                304
16.3. Wyzwalanie ADC i okres próbkowania            305
16.4. Autokalibracja                     305
16.5. Przetwarzanie ADC z wykorzystaniem przerwań SysTick       306
16.5.1. Projekt21 ADC1                  306
16.6. Pętla prądowa 4–20 mA                308
16.6.1. Źródło napięciowe DC: stałe napięcie na zaciskach         308
16.6.2. Źródło prądowe DC: stały prąd w obwodzie           309
16.6.3. Parametryzowane źródło prądowe           309
16.6.4. Układ pomiarowy pętli prądowej              310
16.7. Projekt22 4–20mA przemysłowy pomiar temperatury        312

17. Przetwornik cyfrowo-analogowy DAC                315
17.1. Budowa przetwornika DAC               315
17.2. DAC w procesorach STM32F103                320
17.3. Wzmacniacz wyjściowy                321
17.4. Projekt23 DAC sin                 322

18. Transmisja szeregowa                  325
18.1. USART Universal Synchronous/Asynchronous Receiver-Transmitter    326
18.1.1. Ramka                     327
18.1.2. Prędkość bodowa                  328
18.1.3. Warstwa fizyczna                  328
18.2. Warstwa łącza danych                   329
18.2.1. INTEL HEX Format                 329
18.2.2. Modbus                  330
18.2.3. Master (klient) – slave (serwer danych)          331
18.2.4. CRC w Modbus RTU                 331
18.3. Projekt24 1 Modbus Master                 333
18.4. Projekt25 Modbus slave                  336
18.5. Projekt24 2 Modbus Master                 340
18.6. I2C Inter-Integrated Circuit               342
18.6.1. Czujnik temperatury STLM75            344
18.6.2. Projekt26 I2C                   346
18.7. SPI Serial Peripheral Interface                 347
18.7.1. Projekt27 SPI                   348

19. Obiekt regulacji                      351
19.1. Obiekt oscylacyjny                    351
19.2. Obiekt wieloinercyjny z opóźnieniem               352
19.3. Projekt28 obiekt                  353

20. Cyfrowy regulator PID                    357
20.1. Podstawowy schemat układu regulacji               357
20.1.1. Transmitancja operatorowa regulatora PID         358
20.2. Cyfrowa realizacja algorytmu PI              358
20.2.1. Składowa proporcjonalna algorytmu             359
20.2.2. Składowa całkowa algorytmu               359
20.2.3. Czas zdwojenia TI               361
20.2.4. Projekt29 PI                   361
20.3. Cyfrowa realizacja algorytmu PID                362
20.3.1. Czas wyprzedzenia TD              363
20.3.2. Składowa różniczkowa algorytmu           363
20.3.3. Projekt30 PID                367
20.4. Dobór nastaw regulatora PID                 368

21. Lokowanie biegunów                     371
21.1. Transmitancja dyskretna i transformata Z (Laurenta)           371
21.1.1. Operator różnicy wstecznej Δ            374
21.1.2. Bieguny transmitancji (poles)               375
21.1.3. Bieguny zespolone sprzężone               376
21.1.4. Twierdzenie o wartości końcowej              378
21.2. Prosty projekt regulatora                379
21.2.1. Wzory Vi´ete’a                   381
21.2.2. Projekt31 1 pole placement               384
21.3. Zwiększenie odporności na zakłócenia            386
21.3.1. Zakłócenie stałe odniesione do wejścia obiektu          386
21.3.2. Szum pomiarowy                  388
21.3.3. Projekt31 2 pole placement               393
21.3.4. Projekt31 3 pole placement, obiekt oscylacyjny       393

22. RTOS Real Time Operating Sysytem              397
22.1. Podwójny wskaźnik stosu: MSP i PSP               398
22.2. Projekt32 Multitasking                400
22.2.1. Inicjalizacja systemu RTOS             404
22.2.2. Obsługa przerwania systemowego SysTick         408
22.2.3. Uruchomienie systemu RTOS               410

A. Schemat zestawu uruchomieniowego ZL27ARM             413
B. Znaki ASCII7 i operatory języka C              417
C. Karty katalogowe silników krokowych                421
D. Schemat płyty SMSboard                 425
E. Schemat płyty KP board                 427
F. Schemat płyty RS232/485                 429
Bibliografia                      431
Skorowidz                         435