1.SoC: Arduino (System on a Chip) Facultatea de Informatică Univ. Al. I. Cuza Iaşi

Transcription

1 1.SoC: Arduino (System on a Chip) Facultatea de Informatică Univ. Al. I. Cuza Iaşi

2 SoC Este un sistem complet (de obicei un calculator) construit într-un singur procesor: toate componentele sistemului (CPU, RAM, porturi I/O etc.). De ex: procesoarele telefoanelor (ARM). Consumă puţin curent pentru a funcţiona. Apple A5 SoC

3 SoC ce conţin AMD Am286ZX/LX, SoC based on Microcontroller / microprocesor / digital signal processor (DSP) sau mai multe (MPSoC) Blocuri de memorie: ROM, RAM, EEPROM, Flash Metode de măsurare a timpului (de ex. oscilatoare) Periferice: ceasuri reale (ora corectă), ceasuri ce menţin timpul de la pornire, power-on-reset (sesizeaza curentul şi duc sistemul într-o anumită stare), watch dog timeout (pt erori).

4 SoC ce conţin Interfeţe externe: USB, FireWire, Ethernet, USART (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter portul serial cel vechi), SPI (Serial Peripheral Interface) Interfeţe ADC / DAC (analog digital converter şi invers) Circuite pentru managementul tensiunii.

5

6 JTAG = Joint Test Action Group Realizează verificarea automată a CHIPului. La PCuri: Power On Self Test "ARMSoCBlockDiagram" by en:user:cburnett - Own work in Inkscape based on en:image:armsocblockdiagram.gif. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Commons - m.svg#/media/file:armsocblockdiagram.svg

7 Procesorul de tip ARM RISC = Reduced Instruction Set Computing CISC = Complex Instruction Set Computing RISC au low consumption la energie in comparatie cu CISC care consuma destul de mult. Scopul însă este diferit şi e ok. Multe companii (precum INTEL) au adus CISC-ul la nivele de consum foarte mici: Advanced RISC Machine Citiţi mai multe (dacă vreţi) la: "ARMSoCBlockDiagram" by en:user:cburnett - Own work in Inkscape based on en:image:armsocblockdiagram.gif. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Commons - m.svg#/media/file:armsocblockdiagram.svg

8 Regulator de tensiune reduce +/- pentru ca procesorul să primească o tensiune constantă. "ARMSoCBlockDiagram" by en:user:cburnett - Own work in Inkscape based on en:image:armsocblockdiagram.gif. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Commons - m.svg#/media/file:armsocblockdiagram.svg

9 ASB = Advanced System Bus AHB = Advanced Highperformance Bus APB = Advanced Peripheral Bus Diverse tipuri de memorie. (EBI= External Bus Interface, utilizat pentru a conecta stickuri de ex.) "ARMSoCBlockDiagram" by en:user:cburnett - Own work in Inkscape based on en:image:armsocblockdiagram.gif. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Commons - m.svg#/media/file:armsocblockdiagram.svg

10 Periferal Input / Output

11 Application Specific Logic ajută la particularizarea dispozitivului pentru ce are nevoie să facă cel mai des. De exemplu un Router ar dori să poată afla rapid adresle IP a pachetelor

12 Diverse module: -Medium Access Control (Eth) -Universal Synchronous / Asynchronous Receiver / Transmitter -Serial Peripheral Interface - 2 Wire interface -Analog to Digital Converters Etc.

13 Controlere pentru tensiune, oscilatoare, phase-locked loop (diferenţa între oscilator şi un clock extern), controller pentru reset, brownout (cadere intentionala sau neintentionala a tensiunii), power on reset, Sistem de intreruperi, watchdog timer, ceas de timp real

14 Software Elementele hardware descrise trebuie controlate prin intermediul software. De exemplu, trebuie implementate standarde cum ar fi cel al comunicării prin USB. Toate procesoarele trebuie verificate (acţiune ce costă aprox 70% din designul chipului) Deseori se folosesc FPGA (Field-programmable gate array) Ex: HoMade FPGA care creeaza core-uri la runtime, alocând sau dealocând resurse hardware în funcţie de necesităţi.

15 SoC Avantajele utilizării SoC: consum mic de energie, costuri de producţie mici, fiabilitate crescută comparativ cu chipurile pe care le înlocuiesc [partea cu costurile este discutabilă] Unde le găsiţi: Telefoane, Televizoare inteligente, Raspberry Pi, Arduino, Ceasuri Inteligente, Routere (unele), Chrome Cast (sau asemenea), Apple TV (A5), etc.

16 ATmega 168/328

17 AVR XTAL = crystal = osciloscilator ADC = Analog / Digital conv. AREF = analog reference (cât este voltajul de intrare pe pinii analogici (default 5V) arduino-tutorials-chapter-22-aref-pin/ AVCC = pinul cu care se alimentează din exterior convertorul Analog / Digital [uneori convertorul analog/digital consumă mai mult curent şi trebuie alimentat separat]

18 Microcontroller Atmega328p Comparaţie între diverse tipuri de procesoare ATMEL: /Products/Compare Microcontroller Operating Voltage ATmega328 5V Input Voltage (recommended) 7-12V Input Voltage (limits) 6-20V Digital I/O Pins Analog Input Pins 6 DC Current per I/O Pin DC Current for 3.3V Pin Flash Memory SRAM EEPROM Clock Speed CPU 14 (of which 6 provide PWM output) 40 ma 50 ma 32 KB (ATmega328) of which 0.5 KB used by bootloader 2 KB (ATmega328) 1 KB (ATmega328) 16 MHz (max 20Mhz) 8-bit AVR

19 Arduino UNO Informaţii (complete?) despre Arduino UNO:

20 Arduino UNO Numele UNO (unu în italiană) este dat acestei plăci pentru a celebra prima versiune a IDE-ului Arduino (care până de curând (2015) a fost doar în Beta.

21 Arduino UNO La fel ca versiunile anterioare, Arduino UNO este Open Hardware, specificaţiile acestuia putând fi utilizate de oricine pentru a-şi crea propriul Arduino, îmbunătăţi sau adapta la propriile nevoi. Specificaţiile Arduino Uno le găsiţi la: /ArduinoBoardUno

22 Arduino UNO Programarea lui Arduino UNO se face (standard) prin intermediul softului pus la dispoziţie pe situl

23 Arduino UNO Asta nu înseamnă că nu se poate şi altfel: Pluginul Arduino pentru Eclipse poate fi descărcat de la: Informaţii despre instalare: Altele: WinAVR, Atmel Studio

24 Arduino UNO De-a lungul timpului, au fost utilizate diverse tipuri de programatoare. Cele mai populare (şi care sunt recunoscute de către Windows fără a necesita drivere suplimentare) sunt programatoarele FTDI (asemanatoare cu cele de pe Arduino UNO: ATMEGA8U2 programator ISP). Versiunile chinezeşti ale Arduino nano au inlocuit FTDI-ul (care era mai scump) cu programatorul CH340G. Găsiţi driverele pentru acesta la: Interesant de vazut şi:

25 Arduino UNO Odată instalat (dacă a fost nevoie), ARDUINO-ul va fi vizibil în device manager ca fiind conectat la un anumit port X (COM X).

26 Arduino UNO IDE-ul probabil a detectat şi el portul şi tipul Arduinoului conectat (Arduino / Genuino UNO). În caz contrar, setaţi aceste informaţii în meniul Tools->Board şi Tools->Port. De asemenea aceste meniuri sunt utile când aveţi mai multe echipamente Arduino conectate simultan (şi vreţi să programaţi unul dintre ele). Programatorul ce trebuie selectat pentru UNO este AVRISP mkii.

27 Arduino UNO

28 Arduino UNO - bootloader Integratul ATMEL 328P, creierul lui Arduino UNO, are deja instalat, în memoria Flash (0.5KB din 32KB), un soft denumit bootloader. Acesta are rolul de a permite programarea Arduino-ului utilizând doar un cablu USB. Acest program se încarca la bootarea Arduino-ului. La încărcarea unui program prin USB bootloaderul nu se va şterge.

29 Arduino UNO - bootloader Dacă se doreşte eliminiarea bootloaderului (pentru a câştiga cei 0.5KB din memoria Flash), Arduino poate fi programat direct prin tehnologia ICSP (denumit şi ISP) portul SPI. Pentru detalii, accesaţi: A NU SE UTILIZA / TESTA LA FACULTATE!

30 Arduino UNO - bootloader Pentru rescrierea bootloaderului, se va folosi tot ICSP (durează aprox 15 ). Pentru detalii puteţi accesa: orial.bootloader A NU SE UTILIZA / TESTA LA FACULTATE! [putem să le reparăm dar nu avem chef] [dacă faceţi asta acasă, o faceţi pe cont propriu. Aveţi grijă ce programator folosiţi!]

31 Arduino UNO Portul SPI: ICSP (In-Circuit Serial Programming)

32 Arduino UNO - Safety Chiar dacă este mereu conectat (în timp ce îl programaţi) la USB, nu prea aveţi cum să ardeţi portul USB al calculatorului (decât dacă vreţi neapărat asta). Se pot face în schimb shielduri care să ridice tensiunea la 5KV şi apoi să trimită tensiunea pe TX (vor arde portul calculatorului) [condensatoare] Puteţi în schimb să ardeţi Arduino-ul destul de uşor (aşa că vă rog FĂRĂ CHEI, MONEZI sau ALTE OBIECTE METALICE pe masă în timp ce lucraţi cu Arduino. Aveţi grijă să nu atingeţi de şuruburile cu care sunt prinse băncile -Atmega 328p e foarte fragil!!!).

33 Arduino UNO - Safety În cazul în care calculatorul nu va vede Arduino-ul, se poate ca o masură de siguranţă să fi intrat în acţiune (de fapt este o siguranţă automatizată ce îşi revine când Arduino nu mai este în scurt) sau aveţi deja ocupat portul calculatorului (fie s-a blocat IDEul pe acel port fie se face vreo comunicare etc.)

34 Arduino UNO - Alimentare Arduino UNO poate opera la voltaje între 5 şi 20V. În cazul tensiunilor de sub 7V se poate întâmpla ca la calcule intense Arduino să devină instabil (spre exemplu auto-reset). În cazul tensiunilor peste 12V se poate întâmpla ca regulatorul de tensiune să se supraîncălzească (ataşaţi un radiator altfel puteţi arde întregul sistem).

35 Arduino UNO Regulatorul de tensiune

36 Arduino UNO - Alimentare De fapt, procesorul este alimentat la 5V (din acest motiv îl puteţi alimenta direct de pe portul USB). Arduino poate fi alimentat prin: - portul USB (5V) - alimentare separata (7-20V) - pinul vin (7-20V)

37 Arduino UNO USB, 5V Alimentare externa (7-20V) Alimentare externa (7-20V)

38 Arduino UNO - Alimentare Deşi este posibil, se poate alimenta prin pinul de 5V sau de 3.3V dar alimentarea de acest tip trece peste regulatorul de tensiune şi dacă se greşeşte (chiar şi cu foarte puţin) voltajul, puteţi arde procesorul. NERECOMANDAT

39 Arduino UNO putere curent / pin Pinul de 3.3V 3.3V

40 Arduino UNO putere curent / pin Pinul de 3.3V 5V

41 Arduino UNO curent / pin Pinul GROUND este utilizat pentru a scurge curentul preluat din pinii 5V sau 3.3V. Oricare dintre pinii digitali pot fi folosiţi pentru a scurge curentul (ca şi GROUND) dacă sunt setaţi cu valoarea LOW sau pentru a putea lua din ei 5V (500mAh!) dacă sunt setaţi pe HIGH. Arduino UNO are o rezistenta pe fiecare dintre pinii digitali ce ii permite sa scurga prin aceştia până la 40mAh (standard e 20mAh). Vă rugăm să nu o testaţi (la facultate)! nu ştim dacă kinezii nu s-au zgârcit [pull up resistors]

42 Arduino UNO pinii digitali Pinii digitali (0-13)

43 Arduino UNO pinii digitali Anumiţi pini digitali pot îndeplini şi alte roluri decât de a furniza/scurge tensiune: - d0: RX (primeşte informaşii trimise prin USB); - d1: TX (trimite informaţii către USB); - d2, d3: pot fi utilizaţi pentru a genera întreruperi (identice cu cele cunoscute deja: execută o funcţie când prin pinul respectiv se primeşte un voltaj înafara unui interval indicat);

44 Arduino UNO pinii digitali - d3, d5, d6, d9, d10, d11: PWM (Pulse Width Modulation) permit scrierea de valori analogice (în intervalul ) prin transmiterea de tensiuni în intervalul 0-5V; - d10, d11, d12, d13: emulare SPI prin intermediul unei biblioteci SPI. Pinii alocati sunt astfel: 10=SS, 11=MOSI, 12=MISO, 13=SCK - d13: led intern conectat prin rezistenţă

45 Arduino UNO pinii analogici SCL (serial clock) SDA (serial data) Pinii Analogici

46 Arduino UNO pinii analogici Pinii analogici (a0-a6) pot citi tensiunea aplicată lor cu o rezoluţie de 10 biţi [valori între 0 şi 1024]. analog 4 (sau SDA), analog 5 (sau SCL): suportă tehnologie TWI (two wire interface I2C) atunci când este utilizată biblioteca corespunzătoare Tensiunea maximă (default) este de 5V, aceasta putând fi schimbată prin aplicarea unei tensiuni pinului AREF (şi utilizarea analogreference() în cod pentru a seta valoarea pe external) referinţa va fi curentul primit prin pinul AREF [între 0-5V!!!]

47 Arduino UNO AREF

48 Arduino UNO programare Specificaţiile limbajului pot fi găsite la adresa: Pe scurt: se foloseşte C/C++ (puteţi scrie OOP). Nu există main şi, programul executat de Arduino, asemeni sistemului de operare a unui calculator, nu se termină niciodată decât când s-a oprit alimentarea. În fapt, Arduino funcţionează ca un PC la scară mică.

49 Arduino UNO programare Structura unui program este urmatoarea: - o secţiune pt declararea variablelor (globale) - o secţiune de setup (ce va fi executată o singură dată) - o secţiune loop ce va fi executată la nesfârşit

50 Arduino UNO programare Vestea bună: pentru fiecare componentă de care aveţi nevoie în proiectul vostru găsiţi aproape sigur drivere (biblioteci ce vă uşurează munca cu echipamentul respectiv). Vestea rea: nu vă punctăm ce au făcut alţii :D

51 Arduino UNO - miscelaneous Buton Reset

52 Arduino UNO - miscelaneous Programatorul USB ATMEGA8U2

53 Arduino UNO - miscelaneous Oscilator 16Khz (inima arduino-ului)

54 Arduino UNO - miscelaneous Led pin d13

55 Arduino UNO - miscelaneous Led pin TX

56 Arduino UNO - miscelaneous Led pin RX

57 Cosmin Vârlan

58 Referinţe