Guida alla Prima Esercitazione

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1 Guida alla Prima Esercitazione Prerequisiti Per lo svolgimento dell'esercitazione è necessario: aver installato sul proprio PC l'ide LPCXpresso; disporre di una scheda di valutazione LPCXpresso LPC1769/CD (o equivalente) cavo USB-micro Obiettivi Dopo aver svolto questa esercitazione si sarà appreso come: importare un progetto avviare una sessione di debug avviare l'esecuzione passo-passo del codice entrare e uscire da una funzione 1

2 Avvio All avvio della piattaforma LPCXpresso, viene richiesto di definire la cartella di lavoro (workspace) all interno della quale verranno salvati i progetti. N.B. E importante non assegnare a questa, o a eventuali cartelle in cui è contenuta, un nome che contenga caratteri speciali (tra cui lo spazio). Il rischio è che il programma non la trovi all occorrenza. 2

3 Import di un progetto Dopo aver scaricato il codice blinker (Lab.1 a disposizione tra il materiale didattico), si procede con la sua importazione nella piattaforma. A tale scopo è disponibile fra i tasti rapidi del Quickstart Panel: Import project Premendo il tasto "Import project(s)" apparirà una finestra di dialogo in cui si potrà cercare il progetto da importare "Lab1.zip", che è stato scaricato, inserendo il percorso (o premendo il tasto Browse per cercarlo). Fatto ciò, premendo il tasto Next la nuova finestra di dialogo mostrerà i file relativi al progetto importato contenuti in cartelle o archivi. È possibile selezionare solo i file di interesse. Per i nostri scopi si lascino selezionati tutti e tre i file. Si prema quindi il tasto Finish. (Se si osserva il contenuto della cartella workspace dell'hard disk si noterà che sono stati estratti i contenuti del file ora importato.) In seguito osserviamo i contenuti del file importato nella finestra Project Explorer in alto a sinistra dell'ide: CMSIS_LPC17xx Lab1a_GPIO Lab1a_solution Il primo è il pacchetto della libreria fornito da ARM. Gli ultimi due sono progetti. N.B. Per questa prima esercitazione occorrono solo i file relativi alle cartelle "CMSISv2_LPC17xx" e "LAB1a_GPIO". Conviene chiudere tutte le altre cartelle 3

4 non utilizzate (per ora solo "Lab1a_solution") eccetto il progetto su cui si sta lavorando per evitare confusione al momento del collaudo. Per chiudere il particolare progetto: seleziono col tasto destro del mouse Lab1a_solution e seleziono Close Project. In alternativa, sempre dopo aver selezionato Lab1a_solution, si abbassa il menù a tendina "Project" e si seleziona la voce "Close Project". Dopo questa operazione, la sezione Project Explorer sarà del tipo: In essa: src (source code) è il nome della cartella che contiene i codici sorgente, scritti nel linguaggio C (linguaggio funzionale, che consente di scrivere funzioni) o, in alcuni casi, in assembly. Al suo interno notiamo che sono contenuti il codice di startup e quello relativo al main (che rappresenta sempre la funzione principale di ogni progetto). Facendo doppio click sul file main, il suo contenuto sarà aperto nella finestra di Editing (al centro). Nella riga iniziale si nota un + cliccando sul quale leggiamo il generico commento relativo all intero progetto con: NOME, DATA, TIPO DI PROGETTO. Si ricorda: I commenti sono caratterizzati da scritte di colore verde. Se estesi su un unica riga basta che siano preceduti dal simbolo: // Altrimenti devono essere preceduti da: /* e seguiti da: */ - Il simbolo # nel linguaggio C indica una direttiva per il preprocessore - Le parentesi acute < file >, indicano il riferimento a un file all interno delle cartelle d istallazione. - Le virgolette file, indicano il riferimento ad un file all interno della cartella progetto Si osserva la funzione principale: 4

5 int, è il tipo di dato che la funzione restituisce, ovvero il parametro d uscita. In questo caso un numero intero a 32 bit con segno. (void), è il parametro d ingresso. In questo caso la funzione non ne necessita. N.B. Le parentesi graffe si trovano sempre in coppie, ciascuna contenente un blocco di istruzioni. E conveniente rispettare il loro incolonnamento per avere una visione chiara della funzione alla quale appartengono i singoli blocchi. Andando avanti nella finestra di editing, si trova la prima riga del main, ovvero la dichiarazione della variabile i: uint32 indica il tipo di dato che in seguito gli potrà essere attribuito, ovvero un intero senza segno a 32bit. Nella seconda riga del main è presente la chiamata alla funzione SystemClockUpdate. La definizione di questa funzione si trova in uno dei file (Si noti che in C le funzioni, così come le variabili, vanno sempre dichiarate e/o definite prima del loro utilizzo.) La definizione della funzione SystemClockUpdate si trova in uno dei file indicati con le direttive #inculde. La piattaforma LPCXpresso da la possibilità di visualizzare il commento, o meglio la dichiarazione di una funzione semplicemente posizionando il cursore su di essa. In tal caso, possiamo vedere la dicitura extern void SystemClockUpdate(void) che indica che si sta facendo riferimento a qualcosa di esterno al documento main.c. 5

6 Compilazione del progetto Al fine di procedere con la compilazione del progetto, il tasto rapido da utilizzare nel Quickstart Panel è: (si noti che il pulsante riporta il nome del progetto su cui si sta lavorando, cioè quello su cui si trova una qualche selezione. Questa osservazione sarà utile quando si avranno diversi progetti aperti per cui è bene sempre notare a cosa si riferisce il "build" che vogliamo lanciare). Sarà sempre opportuno osservare nella Console (terminale che permette all utente di capire cosa è stato lanciato) i messaggi che il software ci restituisce a ogni nostra azione. Notiamo che la compilazione è andata a buon fine in quanto appare l ultima riga che indica la dimensione del codice. Alternativamente sarebbero riportati dei messaggi di errore. Nel nostro caso: Text=3348, il file GPIO.axf (le istruzioni scritte) occupano 3348 byte data=4, numero di byte usato per i dati (32 bit, in questo caso per la sola variabile i) bss=336, mostra i dati non inizializzati dec=3688, il totale (text + data + bss) in decimale hex=e68, il totale in esadecimale filename=gpio.axf, nome del file compilato su cui si eseguirà il Debug Col risultato ottenuto, possiamo dire, semplicemente, che LA PARTE SOFTWARE NON PRESENTA ERRORI DI SINTASSI. 6

7 Debug del progetto Si procede ora con il Debug dell hardware a disposizione collegandolo con un opportuno cavo USB. Inizialmente si osserva il led verde lampeggiare. Questo grazie a un programma che NXP ha caricato nella flash del microcontrollore nella scheda al fine di verificarne il funzionamento. Si nota un secondo led acceso fisso che indica la presenza dell alimentazione a 5V. Dopo aver premuto il tasto rapido Debug, il led che prima lampeggiava si spegne e sull'ide viene visualizzata una freccetta accanto alla prima istruzione del main: Osservazione In C il simbolo di punto e virgola ";" rappresenta il terminatore di una istruzione. Un errore comune è proprio quello di dimenticarsi di inserire tale terminatore. Il compilatore segnalerà la presenza di un errore, ma alla istruzione successiva (poiché non vedendo il terminatore esso pensa che le due istruzioni inserite siano in realtà un'unica istruzione). Il cursore fermo alla prima istruzione del main indica che la sessione di Debug è stata avviata correttamente, ovvero: 1. l IDE ha scaricato il codice compilato nella flash del microcontrollore attraverso l USB e l interfaccia; 2. il processore del microcontrollore ha eseguito il codice di reset e quello di stratup; 3. il processore del microcontrollore salta alla prima riga del main e viene posto nella condizione di halt (alla prima riga del main. Automaticamente è stata pure aperta una nuova scheda, sopra a quella di editing, ovvero la scheda Debug. N.B. Non chiudere la scheda di debug poiché si rischia di non rendersi conto di essere già in una sessione attiva. Lanciando erroneamente una seconda sessione di debug si avrà certamente un messaggio d'errore a causa 7

8 dell'inevitabile conflitto che si crea tra le due. Per chiudere una sessione di Debug si dovrà cliccare il tasto "Terminate" :, che comunque verrà fatto più avanti. È importante ricordare che il Debug si effettua solo su file salvati. In seguito ad una modifica ci si accorge di non aver salvato grazie alla presenza di un * accanto al nome del file modificato (e non ancora salvato) nella scheda di editing. Ad esempio, se si digita qualcosa nel file main.c si avrà: A questo punto si procede con la verifica della corretta esecuzione del programma che abbiamo creato. Esistono diverse possibilità di procedere con il collaudo: 1. Tramite il tasto RESUME,il microprocessore (del microcontrollore) esegue tutte le istruzioni autonomamente. Tramite l'interfaccia di collegamento con il PC viene semplicemente detto di abbandonare la condizione di halt e di eseguire il codice caricato nella memoria flash; 2. Tramite il tasto STEP OVER,al fine di far eseguire al microprocessore una funzione alla volta. In questo caso, al termine di ogni istruzione, che viene eseguita premendo una volta il tasto step over, il processore del micro è posto nella condizione di halt e aspetta quindi che venga premuto nuovamente il tasto di step. Se premiamo il tasto resume, noteremo che lampeggia, con periodo di 1 s, il led rosso della scheda. Questa è la funzionalità voluta e tale verifica indica che il codice viene eseguito correttamente. E importante sfruttare al meglio la piattaforma LPCXpresso. A tale scopo si noti la funzionalità di altri tasti utili al debug: RESTART Durante l'esecuzione passo-passo del codice potremmo avere la necessità di ricominciare l'esecuzione dalla prima riga del main. Invece di terminare la sessione e riavviare una nuova sessione di debug (riscrivendo nella memoria lo stesso identico codice, con ovvio spreco di tempo e risorse in quanto una flash non può essere riscritta un numero infinito di volte), è possibile, col, tasto restart, tornare al fermati alla prima riga del main potendo così muovere il collaudo dall'inizio; STEP INTO Utile nella fase di Debug dove spesso occorre entrare nelle funzioni per verificarne il corretto funzionamento e/o eseguirne passo passo le istruzioni; STEP RETURN Al fine di uscire da una funzione e tornare alla chiamata. 8

9 Proviamo a usare alcune di queste funzionalità esplorando, ad esempio, l'esecuzione della funzione SystemClockUpdate(). Continuando a osservare il codice nella scheda di Editing, utilizzando il tasto Step Into si entra nella prima funzione chiamata dal main [ ] Il cursore, che indica sempre l'istruzione da eseguire, è puntato sulla prima riga di SystemClockUpdate. Non è ancora stata eseguita alcuna sua istruzione. In questo caso, non essendo if una funzione, eseguire Step Over o Step Into è analogo. Se si esegue if e switch ci si troverà sulla riga relativa all'aggiornamento della variabile SystemFrequency. Posizionando il cursore su OSC_CLK, una costante e come tale scritta in maiuscolo, si osserva il suo valore ( ) che in questo caso indica la frequenza del quarzo esterno collegato al micro. Proseguendo si osserva tale riga: LPC_SC è il nome assegnato a un blocco di registri, ovvero l elenco di registri all interno della periferica SC (System Control). Tra questi ultimi si trova il registro PLL0STAT N.B. Scaricare lo User Manual UM10360 della famiglia LPC176x/5x, il datasheet dello LPC1769 e lo schema elettrico della scheda di valutazione che dovranno essere consultati all occorrenza. (Disponibili tra il materiale didattico) 9

10 In questo caso è utile cercare PLL0STAT (capitolo 4 che tratta della gestione del clock per il microprocessore e le periferiche). PLL è l elemento circuitale utile al fine di moltiplicare per un certo valore la frequenza di clock. In particolare nella descrizione si trovano: i valori di moltiplicazione del PLL (MSELO): i primi 15 bit, da 0 a 14, considerando che per sfruttare anche lo zero M sarà sempre pari a M-1. Quindi moltiplicare per 0 ha come significato una moltiplicazione per 1. I valori di divisione del PLL (NSELO), i bit da 16 a 23. Anche in questo caso dividere per N equivale a dividere per N-1. Il 15esimo bit non è utilizzato. Trovare anche valori di divisione è utile al fine di avere la possibilità di moltiplicare una certa frequenza oltre che per numeri interi, anche per numeri frazionari. Il blocco PLL0 (uno dei due blocchi PLL disponibili) riguarda la gestione del clock all'interno del microcontrollore. Il PLL0 è a sua volta gestito dai registri: PLL0CON, PLL0CFG, PLL0STAT e PLL0FEED. Il programma di startup ha caricato con opportuni valori questi ultimi. Tornando all istruzione: se si posiziona il cursore su PLL0STAT è possibile osservare il suo contenuto nei vari sistemi numerici. Il simbolo & indica l operazione AND, tra il numero binario contenuto nel registro e la parola riportata in esadecimali 0x7FFF, ciò che ne risulta è la selezione dei 15 bit meno significativi proprio del numero binario contenuto in PLL0STAT. Questo perché: 0x7FFF in binario è pari a , la AND tra 1 e 0 risulta sempre essere zero e la AND tra 1 e 1 è sempre pari a 1, quindi i 15 bit 10

11 pari a 1 della parola in esadecimale avranno semplicemente la funzione di riportare i bit corrispondenti della parola contenuta nel registro. Il risultato è 11. Osserviamo l istruzione: L espressione >> 16 indica uno shift a destra di 16 bit, elimina quindi i 16 bit meno significati posizionando al suo posto i bit d interesse e mettendo nelle cifre più significative 0. 0xFF in binario equivale a , perciò la AND tra questa e la parola all interno del registro indica la selezione degli 8 bit meno significativi. Il risultato è 0. Infine: È cambiato il registro che appartiene sempre allo stesso blocco. Il suo valore è 3, se prendo solo gli 8 bit meno significativi della parola a 32 bit il valore rimane 3 (in decimale). Alla variabile SystemFrequency viene quindi assegnato il valore: *2*12/1/4 =12 MHz * 6= 72 MHz 72 MHz sarà il valore di frequenza di clock, in uscita da PLL0, che poi è il clock della CPU del micro. A questo punto premendo STEP RETURN si ritorna nel main e si potrà procedere con l esecuzione di: i = SystemFrequency; È possibile visualizzare il valore assegnato a i, o in generale il valore assegnato alle variabili presenti nel codice, nella scheda Variables: 11

12 Note sulla gestione della GPIO Andando avanti nel codice troviamo le istruzioni che riguardano la gestione della periferica GPIO (General Purpose Input/Output). Ad esempio: A destra dell istruzione notiamo il commento che informa che il pin n. 22 (P0.22) viene configurato come uscita. A questo pin del micro è collegato il led rosso della scheda di valutazione (si veda lo schema elettrico della scheda). LPC_GPIO0 fa riferimento alla porta 0 della periferica GPIO. Cercando nello User Manual il termine "GPIO", troviamo nel capitolo 9.5 l elenco dei registri all interno di tale periferica, FIODIR è tra questi. (Accanto al nome dei registri si trova il corrispondente indirizzo in quanto per l ARM, i registri delle periferiche sono visti come locazioni di memoria. Si dice allora che le periferiche sono mappate in memoria.) I vari bit del registro FIODIR permettono di impostare i pin corrispondenti della GPIO come ingresso oppure come uscita. In particolare: 1. Assegnando a un bit il valore logico 1, significa impostare il corrispondente pin come uscita; 2. Assegnando a un bit il valore logico 0, significa impostare il corrispondente pin come ingresso. Al reset tutti i bit sono a zero e quindi la porta è configurata con tutti i pin in ingresso. N.B. Posizionando il cursore sulla riga relativa a LPC_GPIO0, è possibile visualizzare i dati più utili che si riferiscono a tale blocco: contenuto del registro, indirizzo di memoria ad esso associato,... In questo modo si evita di dover consultare sempre il manuale. L istruzione che stiamo analizzando permette di assegnare un particolare valore a FIODIR della GPIO0: il valore assegnato è "1" spostato a sinistra di 22 bit (1<<22). Quindi a FIODIR sarà assegnato il valore 2 22, cioè solo il bit 22 a 1 e tutti gli altri a 0. Come detto, ognuno dei 32 bit del registro descrive un pin della GPIO (avente 32 canali I/O) e la nostra istruzione ha l'effetto di impostare P0.22 come uscita, mantenendo tutti gli altri pin come ingressi (come al reset). Un altro registro della GPIO è FIOCLR. Come per FIODIR, anche questo registro controlla lo stato dei 32 pin della GPIO. Un '1' in una certa posizione farà sì che il pin corrispondente, impostato come uscita. si porti allo stato basso (di clear). Nel nostro caso, l'istruzione: metterà allo stato logico basso (0 V) P0.22, con conseguente accensione del LED rosso (il commento è sbagliato). un uscita bassa. In questo caso escono dal pin 22 0V, ne segue l accensione del led. 12

13 Il "ciclo infinito" Quanto commentato sinora si riferisce alle impostazioni "di partenza" che si hanno nella prima parte di ciascun main. Nell'esempio semplice qui analizzato si ha solo l'impostazione di un pin come uscita e il comando di accensione del led ad esso collegato. L ultimo blocco del codice presente nel main è un ciclo while ovvero un corpo di istruzioni che viene eseguito fino a che la condizione tra parentesi è verificata:. Nel caso particolare si nota che la condizione è sempre verificata, si tratta quindi del ciclo infinito che il microprocessore del micro eseguirà continuamente (almeno finché è alimentato). La prima istruzione di tale ciclo è: che ha funzionamento analogo a FIOCLR. In questo caso, però, il bit a '1' indica uno stato logico alto (3 V) sul pin corrispondente (configurato come uscita). Con questa istruzione viene quindi messo allo stato logico alto il pin 22, provocando lo spegnimento del led. Questa condizione permane per l intera durata del ciclo for che segue: che qui è stata inserita solo per generare una pausa (di tipo software). In questo ciclo si dice che il processore "gira i pollici" poiché decrementa solamente la variabile relativa la ciclo senza effettuare nessuna altra operazione. L operatore for è composto da tre campi: 1. variabile e assegnazione di un valore iniziale; 2. condizione per rimanere nel for; 3. operazione da fare ad ogni ciclo Partendo dal valore di qualche milione, la variabile viene decrementata fino a 0. In questo modo l'intero ciclo dura diversi decimi di secondo (mezzo secondo circa) rendendo ben visibile l alternanza tra l accensione e lo spegnimento del led (che avviene dopo questo for). Se non ci fosse questa pausa (il periodo in cui la variabile passa da a 0) ciò che ne risulterebbe è una luce continua meno intensa di quella che si ha alimentando con continuità il led (in particolare avremmo esattamente la metà dell'intensità luminosa che ora possiamo osservare). In questo caso sarebbe difficile per l utente verificare il corretto funzionamento del programma col quale vogliamo proprio provocare il lampeggiamento del led. Segue poi l istruzione che sfrutta nuovamente FIOCLR per l accensione del led seguita da un ciclo for analogo al precedente. 13

14 Note conclusive In breve si nota la generica struttura del main: Dichiarazione variabili con relativi commenti Start up, inizializzazione delle periferiche da utilizzare Ciclo infinito del microcontrollore La piattaforma mette inoltre a disposizione, semplicemente premendo il tasto:, la possibilità di visualizzare le istruzioni in Assembly relative al codice scritto, ovvero le istruzioni ad un livello più basso rispetto a quello del linguaggio C. 14

15 Esercizi 1. Scrivere almeno un modo alternativo per assegnare a uno o più registri della GPIO qui visto il valore 1<<22? 2. I cicli for inseriti nel codice visto servono per far perdere circa 0.5 s al processore per la loro esecuzione. Nel singolo for la variabile i viene decrementata da a 0 in circa 0.5 s, e il processore effettua un totale di ciclo. Quanto tempo impiega il processore a effettuare un solo ciclo? 3. Osservare il codice assembly di un ciclo for (tasto ). Eseguire passopasso il codice assembly e contare quante istruzioni vengono svolte per ogni ciclo. Quant'è il tempo medio di esecuzione di una istruzione? 15