Serge.V Lumber Barn

This page is read only. You can view the source, but not change it. Ask your administrator if you think this is wrong.
(Фрагмент [[http://panchul.livejournal.com/184647.html | курса аппаратного программирования]] от Юрия Панчула)
====== Часть 5. Программирование на голом железе и зачатие операционной системы ======
(почти готово)

  - Лаба - знакомство с платой chipKit32 / PIC32 / MIPS и программирование её на С с помощью Arduino-подобного GUI. Кнопочки, лампочки, дисплейчик, IO Shield.
  - Введение в ассемблер на примере MIPS
  - Лаба - загрузка в память программок на ассемблере
  - Концепция простейшей многозадачной операционной системы
  - Лаба - своя игрушечная многозадачная ОС, которая бутится, ставит обработку прерывания по таймеру, в котором переключает задачи по схеме round-robin.

В качестве среды программирования используется пакет MPIDE фирмы chipKIT.  Это бесплатное программное обеспечение, сделанное на основе компилятора GCC и визуальной среды программирования Arduino.  Его можно установить под Linux, Windows или Mac OS X.  Скачать пакет можно здесь: [[https://github.com/chipKIT32/chipKIT32-MAX/downloads]]

Для первых двух примеров используется визуальная среда программирования.  В третьем и четвёртом примерах от студентов потребуется умение работать в режиме командной строки и пользоваться командой make.

Загрузка программ на плату Uno32 (или Max32) производится через порт USB с помощью утилиты avrdude, входящей в состав MPIDE.  Отдельный программатор не требуется.

===== 5.1. Знакомство с платой Uno32 =====

Лабораторная работа: знакомство с платой Uno32.  Процессор PIC32 с архитектурой MIPS32.  Простая среда разработки chipKit MPIDE и программирование на С.  Подключение кнопочек и семисегментного индикатора с помощью макетной платы.  Концепция прерывания.

Необходимое оборудование:
  * Плата Uno32
  * Адаптер PICkit 3 (начиная с раздела 5.3)
  * Компьютер с Linux или Windows
  * Кабель mini-USB
  * Универсальная макетная плата
  * Две кнопки с проводами
  * Семисегментный светодиодный индикатор
  * Девять резисторов 220 Ом с проводами

Пример 1: управление двумя светодиодами, имеющимися на плате Uno32, с помощью двух внешних кнопок.

Пример 2: управление семисегментным индикатором.  Игра "нажми вместе".  При нажатии двух кнопок на индикаторе отображается разность времени нажатия в миллисекундах.  Используется аппаратное прерывание от таймера.

Студентам предлагается доработать примеры в некотором направлении.  Возможный список задач:
  * Сделать счетчик нажатий кнопок.  Одна кнопка увеличивает счётчик, другая уменьшает.
  * Секундомер.  Первая кнопка запускает отсчет.  Вторая увеличивает темп в 10 или 100 раз.
  * "Электронный кубик" - генератор случайных чисел.

=== Пример 5.1.1. ===
Среда MPIDE.
Управление двумя светодиодами, имеющимися на плате Uno32, с помощью двух внешних кнопок.

TODO: нарисовать схему подключения кнопок.  Требуются два резистора 10кОм для подтяжки к +3.3В.

Исходные тексты: {{example5-1-1.pde}} ([[lab5-example511 |просмотреть]]).

=== Пример 5.1.2 ===
Среда MPIDE.
Управление семисегментным индикатором.  Игра "нажми вместе".  При нажатии двух кнопок на индикаторе отображается разность времени нажатия в миллисекундах.  Используется аппаратное прерывание от таймера.

TODO: нарисовать примерную схему подключения 7-сегментного индикатора.  Требуются восемь резисторов 220Ом для ограничения тока через светодиоды.  Годится любой светодиодный индикатор с общим катодом.  Можно с общим анодом, если поменять местами LATxSET и LATxCLR в функции display().

{{led-diagram-3.jpg}}

||**Контакт Uno32 Digital**||**Сегмент LED**||
||  2  ||  A  ||
||  3  ||  B  ||
||  4  ||  C  ||
||  5  ||  D  ||
||  6  ||  E  ||
||  7  ||  F  ||
||  8  ||  G  ||
||  9  ||  H  ||

Исходные тексты: {{example5-1-2.pde}} ([[lab5-example512 |просмотреть]]).

===== 5.2. Введение в ассемблер MIPS =====
Организация оперативной памяти, разбиение на слова.  Понятие машинной инструкции и счётчика команд.  Регистры общего назначения, номера и имена регистров.  Передача параметров и возврат значения в регистрах.  Регистр адреса возврата.  Стек, регистр стека, место в стеке для каждой вызываемой функции (фрейм).

Основные инструкции системы команд MIPS.  Разбиение по функциональным группам.  Псевдоинструкции LI, LA.

Управление периферийными модулями: таймер, сигналы ввода-вывода.  Концепция управляющих регистров, отображаемых на память.

===== 5.3. Практическая работа на ассемблере =====
Пример: управление двумя светодиодами с помощью двух внешних кнопок.  То же, что в разделе 5.1, но на ассемблере.

Для сборки используется утилита make (скачать {{makefile}}).  В начале файла makefile следует установить путь к каталогу с установленным пакетом MPIDE, например:
  MPIDE_DIR = /opt/mpide-0022-linux32-20110822

Для загрузки программы в плату надо вызывать:
  sudo make upload

Задание для продвинутых студентов: переписать на ассемблере пример 2 из раздела 5.1.

=== Пример 5.3 ===
Управление двумя светодиодами с помощью двух внешних кнопок.  Тот же, что в разделе 5.1, но на ассемблере.

TODO: нарисовать схему подключения кнопок.  Требуются два резистора 10кОм для подтяжки к +3.3В.

Исходные тексты: {{example5-3.zip}} ([[lab5-example53 |просмотреть]]).



===== 5.4. Концепция многозадачного выполнения =====
В основе многозадачности лежит стремление к простоте.  В примере 5.1.1 нам приходилось обрабатывать всего два входных сигнала (кнопки).  Тем не менее, основной цикл программы выглядит неочевидным.  В реальных системах микроконтроллеру приходится обрабатывать десятки или даже сотни входных событий.  Хороший способ справиться с этим - разбить программу на независимые части меньшего размера, выполняющиеся параллельно, не мешая друг другу.  Такие части называют //задачами// (tasks).  В больших операционных системах задачи, выполняющиеся в раздельных адресных пространствах, называются //процессами//.

Вот как могли бы выглядеть задачи в примере 5.1.1.  Намного проще, не правда ли?
<code>
void task1()
{
    for (;;) {
        if (нажата первая кнопка) {
            гасим первый светодиод;
            delay (150);
        }
        зажигаем первый светодиод;
        delay (150);
    }
}

void task2()
{
    for (;;) {
        if (нажата вторая кнопка) {
            гасим второй светодиод;
            delay (150);
        }
        зажигаем второй светодиод;
        delay (150);
    }
}
</code>

Хотелось бы иметь возможность запускать на одном процессоре несколько задач, но чтобы они оставались независимыми и не мешали друг другу.  Для этого нам понадобятся два новых понятия:
  - Контекст выполнения
  - Прерывания

//Контекстом выполнения// называется содержимое регистров процессора и стека выполняемой задачи.  Ход программы полностью определяется контекстом выполнения.  Если бы мы смогли в какой-то момент остановить процессор, запомнить куда-нибудь значения всех регистров (а указатель стека тоже находится в регистре), установить новые значения для регистров и пустить выполнение дальше, мы получили бы совсем другую задачу.  Такое действие называется //переключением контекста//.

Если переключать контекст достаточно быстро, например 1000 раз в секунду, будет создаваться впечатление параллельного и одновременного выполнения всех задач.  Скажем, 1 миллисекунду работает первая задача, потом 1 миллисекунду вторая, и дальше по кругу.  Такой алгоритм распределения процессорного времени обычно называют циклическим (round robin).  В больших операционных системах применяются и другие алгоритмы, более сложные.

//Прерывания// это особый механизм, посредством которого процессор приостанавливает выполнение текущей программы, и совершает необходимые срочные действия.  При этом управление передаётся на специальный фиксированный адрес, по которому расположена функция обработки прерывания.  После её завершения происходит //выход из прерывания//, и выполнение программы продолжается.  Для обработки прерываний в процессоре есть специальные регистры (EPC, Status) и инструкции (ERET, EI, DI).

Для получения периодических прерываний в процессоре MIPS есть два 32-битных регистра: Count и Compare.  Регистр Count - это счётчик, который растет с фиксированной частотой, в нашем случае 40 МГц.  Когда значение Count становится равным регистру Compare, возникает прерывание с номером 0 и происходит переход по адресу 0x9d000200.  Старое значение счетчика команд PC прерванной программы заносится в специальный регистр EPC.  В регистре Status устанавливается бит EXL, блокирующий обработку других прерываний (если они возникнут).  Дальше начинает выполняться функция обработки прерывания.  В нашем примере она записывает значения всех регистров (контекст) в стек прерванной задачи, переключает регистр стека на другую задачу, восстанавливает все регистры из стека, и выполняет инструкцию ERET.  Это специальная команда, которая снимает бит EXL регистра Status (этим разблокируя прерывания) и пересылает значение регистра EPC в счетчик команд PC.  Продолжается выполнение новой задачи, до следующего прерывания.

===== 5.5. Пример реализации многозадачности =====
Переключение двух задач по таймеру.  Исходные тексты расположены в двух файлах:
  * example5-5.c --- основная программа на языке Си.
  * timer-interrupt.S --- функция обработки прерывания на ассемблере.  Сохраняет и восстанавливает контекст выполнения в стеке.  Для управления таймером и переключения задач вызывает функцию на языке Си.

Для сборки используется утилита make (скачать {{makefile}}).  В начале файла makefile следует установить путь к каталогу с установленным пакетом MPIDE, например:
  MPIDE_DIR = /opt/mpide-0022-linux32-20110822

Для загрузки программы в плату надо вызывать:
  sudo make upload

Исходные тексты: {{example5-5.zip}} ([[lab5-example55 |просмотреть]]).

Задание для продвинутых студентов: обобщить пример для произвольного количества задач.

Задание для особо продвинутых студентов: реализовать механизм взаимодействия задач.  На выбор: семафоры, мьютексы, рандеву, мониторы, передача сообщений.