´Electronique num´erique

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Electronique´ num´erique J.-M Friedt

Electronique num´ ´ erique

J.-M Friedt

FEMTO-ST/d´ epartement temps-fr´ equence jmfriedt@femto-st.fr

transparents ` a jmfriedt.free.fr

14 aoˆ ut 2021

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num´erique

J.-M Friedt

Plan des interventions :

7 cours/TP d’introduction au STM32 en C baremetal :

1 Electronique num´ ´ erique et conception du circuit

L3 : aspects analogiques, consommation ´ electrique, lecture de datasheet Survol des divers p´ eriph´ eriques qui seront abord´ es (RS232, SPI, timer, ADC) repr´ esentation des donn´ ees (tailles/encodage), masques, architecture

Rappels sur Atmega32U4 (Makefile, compilation, masques ...)

2 Premiers pas sur le STM32, adresses des p´ eriph´ eriques, architecture

3 Fonctionnement de gcc et optimisations :

pr´ eprocess–compilateur–assembleur–linker, passage C ` a assembleur, pointeurs 4 biblioth` eques et s´ eparation algorithme/mat´ eriel, simulateurs

libopencm3, newlib & stubs, ressources requises par les biblioth` eques 5 Bus de communication s´ erie, synchrone/asynchrone

6 arithm´ etique sur syst` emes embarqu´ es

entiers, flottants, convertir un algorithme exprim´ e en nombres ` a virgules vers des entiers, timers

7 interruptions et acquisition de donn´ ees analogiques, fr´ equence d’´ echantillonnage

vecteurs d’interruption, gestion des horloges du STM32, ADC

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Electronique´ num´erique

J.-M Friedt

Protocoles de communication

Protocole parall` ele :

• un bit/fil : gourmand en ressources mat´ erielles (bus parall` eles)

• couplage entre signaux adjacents ` a haut d´ ebit ⇒ isolation (paires diff´ erentielles dans LVDS, masse entre les signaux dans SCSI)

Cam´era drone DJI

Protocoles s´ erie : bits transmis s´ equentiellement sur 1 ou 2 fil(s).

Asynchrone v.s synchrone :

• asynchrone : pas de partage d’horloge (historiquement, sur ligne t´ el´ ephonique)

• synchrone : partage d’horloge ⇒ d´ ebit plus ´ elev´ e

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num´erique

J.-M Friedt

Protocole asynchrone (RS232) ¹

• Pas d’horloge commune ⇒ cadencement des donn´ ees par convention (baudrate)

• D´ ebut : repos (1) → start bit (0)

• N bits de donn´ ees, N ∈ {7, 8}, LSB first

• bit de parit´ e optionnel (E, O, N)

• 1 ou 2 bit(s) de stop (1)

• Exercice : quel est le temps de transmission d’un octet ` a 115200 bauds en 8N1 ?

0 1T t

START

1 0 0 0

2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T

lsb msb

9T

STOP

1 0 1 0

T=1000/baud ms

1. gtvhacker, Hack All The Things : 20 Devices in 45 Minutes, DEF CON 22 (2014)

`

a https://www.youtube.com/watch?v=h5PRvBpLuJs

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J.-M Friedt

Analyse de trame RS232

Que dit ce message ?

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num´erique

J.-M Friedt

Analyse de trame RS232

1 identifier le baudrate (symbole le plus court)

2 ne pas oublier start (“s”) et stop (“S”) bit

3 resynchronisation sur front descendant du start bit

4 ´ eventuellement parit´ e et 2 stop bits (pas ici)

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J.-M Friedt

Protocoles synchrones (I ² C, SPI)

Acc` es mat´ eriel : degr´ es de libert´ e

• ´ etat au repos de l’horloge, front d’´ echantillonnage : impos´ e dans I ² C, libre dans SPI (CPHA, CPOL)

• ordre des bits : I ² C : MSB first 6= SPI : LSB ou MSB first

• esclave SPI s´ electionne par CS#, I ² C par l’adresse du destinataire impos´ ee par le mat´ eriel.

Exemple du XE1203F ² : protocole s’apparentant au SPI 1 0 R/W# A4-A0 D7-D0

2. https://datasheet.digchip.com/531/531-00053-0-XE1203.pdf

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num´erique

J.-M Friedt

Exemple SPI

XE1203F sur SPI2 ³ (PB12 .. PB15), gestion manuelle de CS#

#i n c l u d e<l i b o p e n c m 3 / stm32 / s p i . h>

s t a t i c v o i d c l o c k s e t u p (v o i d)

{r c c c l o c k s e t u p i n h s e 8 m h z o u t 7 2 m h z ( ) ; // STM32F103 r c c p e r i p h c l o c k e n a b l e ( RCC GPIOB ) ; // S P I 2 = PORTB r c c p e r i p h c l o c k e n a b l e ( RCC AFIO ) ;

r c c p e r i p h c l o c k e n a b l e ( RCC SPI2 ) ; }

s t a t i c v o i d s p i s e t u p (v o i d){// SS=PB12 , SCK=PB13 , MISO=PB14 and MOSI=PB15∗/

g p i o s e t m o d e ( GPIOB , GPIO MODE OUTPUT 50 MHZ , GPIO CNF OUTPUT ALTFN PUSHPULL , GPIO13|GPIO15 ) ; g p i o s e t m o d e ( GPIOB , GPIO MODE OUTPUT 2 MHZ , GPIO CNF OUTPUT PUSHPULL , GPIO12 ) ;

g p i o s e t m o d e ( GPIOB , GPIO MODE INPUT , GPIO CNF INPUT FLOAT , GPIO14 ) ; s p i r e s e t ( S P I 2 ) ;

s p i i n i t m a s t e r ( SPI2 , SPI CR1 BAUDRATE FPCLK DIV 128 , SPI CR1 CPOL CLK TO 0 WHEN IDLE , SPI CR1 CPHA CLK TRANSITION 2 , SPI CR1 DFF 8BIT , SPI CR1 MSBFIRST ) ; s p i e n a b l e ( S P I 2 ) ;

}

i n t s p i t x r x (c h a r c ) {s p i s e n d ( SPI2 , c ) ;

r e t u r n( s p i r e a d ( S P I 2 ) ) ; // a l w a y s r e a d a f t e r w r i t e t o a v o i d a v e r f l o w }

i n t main ( ) {[ . . . ]

g p i o c l e a r ( GPIOB , GPIO12 ) ;

s p i t x r x ( 0 x 8 0 +( a d d r &0 x 1 f ) ) ; // w r i t e#

s p i t x r x ( 0 x 5 5 ) ; s p i t x r x ( 0 x f f ) ; g p i o s e t ( GPIOB , GPIO12 ) ; }

3. RM0008 ` a https://www.st.com/resource/en/reference_manual/

cd00171190-stm32f101xx-stm32f102xx-stm32f103xx-stm32f105xx-and-stm32f107xx-advanced-arm-based-32-bit-mcus-stmicroelectronics.

pdf

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Electronique´ num´erique J.-M Friedt

Ecriture ´ Lecture

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num´erique

J.-M Friedt

Initialisation du port asynchrone

sur STM32

https://www.st.com/resource/

en/datasheet/stm32f410cb.pdf 1 activer l’horloge du

p´ eriph´ erique

2 configurer les broches dans leur fonction alternative

3 configurer le p´ eriph´ erique (8N1, 115200 bauds)

#i n c l u d e<l i b o p e n c m 3 / stm32 / g p i o . h>

#i n c l u d e<l i b o p e n c m 3 / stm32 / u s a r t . h>

r c c p e r i p h c l o c k e n a b l e ( RCC USART1 ) ;

g p i o m o d e s e t u p ( GPIOA , GPIO MODE AF , GPIO PUPD NONE , GPIO9 ) ; //TX g p i o m o d e s e t u p ( GPIOA , GPIO MODE AF , GPIO PUPD NONE , GPIO10 ) ; //RX g p i o s e t a f ( GPIOA , GPIO AF7 , GPIO9 ) ;

g p i o s e t a f ( GPIOA , GPIO AF7 , GPIO10 ) ; u s a r t s e t b a u d r a t e ( USART1 , 1 1 5 2 0 0 ) ; u s a r t s e t d a t a b i t s ( USART1 , 8 ) ;

u s a r t s e t s t o p b i t s ( USART1 , USART STOPBITS 1 ) ; u s a r t s e t m o d e ( USART1 , USART MODE TX RX ) ; u s a r t s e t p a r i t y ( USART1 , USART PARITY NONE ) ;

u s a r t s e t f l o w c o n t r o l ( USART1 , USART FLOWCONTROL NONE) ; u s a r t e n a b l e ( USART1 ) ;

https://www.st.com/resource/en/reference_manual/dm00180366.pdf section 24

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J.-M Friedt

Initialisation du port sychrone sur

STM32

https://www.st.com/resource/

en/datasheet/stm32f410cb.pdf 1 activer l’horloge du

p´ eriph´ erique

2 configurer les broches dans leur fonction alternative

3 d´ ebit de communication (communication synchrone) 4 ´ etat au repos de l’horloge et

front d’´ echantillonnage des donn´ ees

#i n c l u d e<l i b o p e n c m 3 / stm32 / g p i o . h>

#i n c l u d e<l i b o p e n c m 3 / stm32 / s p i . h>

r c c p e r i p h c l o c k e n a b l e ( RCC SPI1 ) ;

g p i o m o d e s e t u p ( GPIOA , GPIO MODE AF , GPIO PUPD PULLUP , GPIO5|GPIO6|GPIO7 ) ; g p i o s e t a f ( GPIOA , GPIO AF5 , GPIO5|GPIO6|GPIO7 ) ; // A5=SCK 6=MISO 7=MOSI s p i d i s a b l e ( S P I 1 ) ;

s p i i n i t m a s t e r ( SPI1 ,

SPI CR1 BAUDRATE FPCLK DIV 256 , SPI CR1 CPOL CLK TO 1 WHEN IDLE , // c l k =1 when i d l e SPI CR1 CPHA CLK TRANSITION 1 , // f a l l i n g e d g e =>T r a n s i t i o n 1

SPI CR1 DFF 8BIT , // 8 b i t s

SPI CR1 MSBFIRST ) ; // MSB f i r s t

s p i e n a b l e s o f t w a r e s l a v e m a n a g e m e n t ( S P I 1 ) ; s p i s e t n s s h i g h ( S P I 1 ) ;

s p i e n a b l e ( S P I 1 ) ;

https://www.st.com/resource/en/reference_manual/dm00180366.pdf section 25

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num´erique

J.-M Friedt

Simulateur

1 Exploitation d’un simulateur pour connaˆıtre l’´ etat interne de la machine qui s´ equence le code

2 qemu pour un grand nombre de plateformes, simavr pour Atmega32U2

Capture d’´ ecran de gtkwave utilis´ e pour afficher l’´ evolution du port C.

Pr´ efixer son programme des d´ eclarations de simulations :

#i n c l u d e " a v r _ m c u _ s e c t i o n . h "

AVR MCU( F CPU , " a t m e g a 3 2 ") ;

c o n s t s t r u c t a v r m m c u v c d t r a c e t m y t r a c e [ ] MMCU ={

{AVR MCU VCD SYMBOL(" P O R T B ") , . what = (v o i d∗)&PORTB, }, };

i n t main{DDRB|=1<<PORTB5 ; w h i l e ( 1 ){PORTBˆ=1<<PORTB5 ; d e l a y m s ( 1 0 0 0 ) ;}}

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J.-M Friedt

Simulateur

1 Exploitation d’un simulateur pour connaˆıtre l’´ etat interne de la machine qui s´ equence le code

2 qemu pour grand nombre de plateformes, simavr pour Atmega32U2

1 us + 0A

xx FF FD FC FB DB

Time

STACKH[7:0]=0A STACKL[7:0]=xx

Pr´ efixer son programme des d´ eclarations de simulations :

c o n s t s t r u c t a v r m m c u v c d t r a c e t m y t r a c e [ ] MMCU ={

{AVR MCU VCD SYMBOL(" P O R T C ") , . what = (v o i d∗) ( 0 x 2 8 ) , }, // &PORTC

{AVR MCU VCD SYMBOL(" S T A C K L ") , . what = (v o i d∗) ( 0 x5D ) , }, // s t a c k =0x3{DE}+0x 2 0 {AVR MCU VCD SYMBOL(" S T A C K H ") , . what = (v o i d∗) ( 0 x5E ) , }, // s t a c k =0x3{DE}+0x 2 0 };

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num´erique

J.-M Friedt

Emulation des p´ ´ eriph´ eriques

Un ´ emulateur simule le comportement du cœur du processeur, mais comment ´ emuler les p´ eriph´ eriques ⁴ ?

Exemple du convertisseur analogique-num´ erique du STM32 :

s t a t i c v o i d s t m 3 2 a d c s t a r t c o n v ( Stm32Adc∗s )

{u i n t 6 4 t c u r r t i m e = q e m u c l o c k g e t n s ( QEMU CLOCK VIRTUAL ) ; i n t c h a n n e l n u m b e r=s t m 3 2 A D C g e t c h a n n e l n u m b e r ( s , 1 ) ; i f ( c h a n n e l n u m b e r ==16)

{s−>Vdda=r a n d ( ) %(1200+1) + 2 4 0 0 ; // Vdda b e l o n g s t o t h e i n t e r v a l [ 2 4 0 0 3 6 0 0 ] mv

s−>V r e f=r a n d ( ) %(s−>Vdda−2400+1) + 2 4 0 0 ; // V r e f b e l o n g s t o t h e i n t e r v a l [ 2 4 0 0 Vdda ] mv

s−>ADC DR= s−>Vdda−s−>V r e f ; }

e l s e i f ( c h a n n e l n u m b e r ==17)

s−>ADC DR= ( s−>V r e f=r a n d ( ) %(s−>Vdda−2400+1) + 2 4 0 0 ) ; // V r e f [ 2 4 0 0 Vdda ] mv

e l s e

s−>ADC DR=((i n t) ( 1 0 2 4 .∗( s i n (2∗M PI∗q e m u c l o c k g e t n s ( QEMU CLOCK VIRTUAL ) /1 e 9 ) + 1 . ) ) &0 x f f f ) ;

s−>ADC SR&=˜ADC SR EOC ; // i n d i c a t e s o n g o i n g c o n v e r s i o n s−>ADC CR2&=˜ADC CR2 SWSTART ; // c a l l s c o n v c o m p l e t e when e x p i r e s

// c f l i b o p e n c m 3 : a d c s t a r t c o n v e r s i o n r e g u l a r ( ) {

t i m e r m o d ( s−>c o n v t i m e r , c u r r t i m e + s t m 3 2 A D C g e t n b r c y c l e p e r s a m p l e ( s , c h a n n e l n u m b e r ) ) ; }

4. https://github.com/beckus/qemu stm32/blob/stm32/hw/arm/stm32 adc.c#L700

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J.-M Friedt

Communication RS232 ⁵ (32U4)

AVR MCU VCD FILE (" t r a c e _ f i l e . vcd ", 1 0 0 0 ) ;

c o n s t s t r u c t a v r m m c u v c d t r a c e t m y t r a c e [ ] MMCU ={ {AVR MCU VCD SYMBOL(" U D R 1 ") , . what = (v o i d∗)&UDR1 , }, };

pour d´ eclarer le registre observ´ e (UDR1), puis

#d e f i n e UART BAUDRATE ( 5 7 6 0 0 ) //#d e f i n e UART BAUDRATE ( 9 6 0 0 ) v o i d i n i t u a r t (v o i d) {u n s i g n e d s h o r t baud ;

UCSR1A = (1<<UDRE1) ; // i m p o r t a n t l y U2X1 = 0

UCSR1B = ( 1<<RXEN1 )|( 1<<TXEN1) ; // e n a b l e r e c e i v e r and t r a n s m i t t e r

UCSR1C = (1<<UCSZ11 )|(1<<UCSZ10 ) ; // 8N1 // UCSR1D = 0 ; // no r t c / c t s baud = ( ( ( ( F CPU / ( UART BAUDRATE∗16UL ) ) )−1 ) ) ;

UBRR1H = (u n s i g n e d c h a r) ( baud>>8);

UBRR1L = (u n s i g n e d c h a r) baud ; }

v o i d u a r t t r a n s m i t (u n s i g n e d c h a r d a t a )

{w h i l e ( ! ( UCSR1A & (1<<UDRE1) ) ) ; // w a i t w h i l e r e g i s t e r i s f r e e UDR1 = d a t a ; // l o a d d a t a i n t h e r e g i s t e r }

v o i d s e n d b y t e (u n s i g n e d c h a r c ) {u n s i g n e d c h a r tmp ;

tmp=c>>4; i f ( tmp<10) u a r t t r a n s m i t ( tmp+’ 0 ’) ; e l s e u a r t t r a n s m i t ( tmp+’ A ’−10) ; tmp=( c&0 x 0 f ) ; i f ( tmp<10) u a r t t r a n s m i t ( tmp+’ 0 ’) ; e l s e u a r t t r a n s m i t ( tmp+’ A ’−10) ; }

13 ms

xx 46 39 44 38 30

Time

UDR1[7:0]=44

0,188 ms

10 ms 20 ms

xx 46 39 44 38 30

Time

UDR1[7:0]=39

1,234 ms

5. J.-M Friedt, D´ evelopper sur microcontrˆ oleur sans microcontrˆ oleur : les

´

emulateurs, GNU/Linux Magazine France HS 103 (Juillet-Aout 2019)

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num´erique

J.-M Friedt

Nouvelle architecture : RISC V

#i n c l u d e<s t d i o . h>

i n t main ( ) {l o n g x=0x 1 2 3 4 5 6 7 8 ;

c h a r ∗c =(c h a r∗)&x ;

p r i n t f (" \ n % d \ n ",s i z e o f(l o n g) ) ;

p r i n t f (" % hhx % hhx % hhx % hhx \ n ", c [ 0 ] , c [ 1 ] , c [ 2 ] , c [ 3 ] ) ; }

Rappel : newlib n´ ecessite le stub write() pour afficher

FEMTO=[...]/riscv-probe/

riscv64-unknown-elf-gcc -march=rv32imac -mabi=ilp32 -mcmodel=medany -c h.c riscv64-unknown-elf-gcc -march=rv32imac -mabi=ilp32 -mcmodel=medany \

-nostartfiles -nostdlib -nostdinc -static -lgcc \ -T $(FEMTO)/env/qemu-sifive_e/default.lds \

$(FEMTO)/build/obj/rv32imac/env/qemu-sifive_e/crt.o \

$(FEMTO)/build/obj/rv32imac/env/qemu-sifive_e/setup.o h.o \

$(FEMTO)/build/lib/rv32imac/libfemto.a -o hello32

s’ex´ ecute dans qemu par

$ [...]/riscv-qemu/riscv32-softmmu/qemu-system-riscv32 -M sifive_e \ -nographic -kernel hello32

4 00000078 00000056 00000034 00000012

→ long est cod´ e sur cette architecture 32 bits sur 4 octets

→ 0x78 apparaˆıt en premier, l’octet de poids faible est ` a l’adresse la plus faible : little endian

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J.-M Friedt

Nouvelle architecture : RISC V

#i n c l u d e<s t d i o . h>

i n t main ( ) {l o n g x=0x 1 2 3 4 5 6 7 8 ;

c h a r ∗c =(c h a r∗)&x ;

p r i n t f (" \ n % d \ n ",s i z e o f(l o n g) ) ;

p r i n t f (" % hhx % hhx % hhx % hhx \ n ", c [ 0 ] , c [ 1 ] , c [ 2 ] , c [ 3 ] ) ; }

Rappel : newlib n´ ecessite le stub write() pour afficher En compilant en 64 bits par (options -march= et -mabi) :

riscv64-unknown-elf-gcc -march=rv64imac -mabi=lp64 -mcmodel=medany -c h.c riscv64-unknown-elf-gcc -march=rv64imac -mabi=lp64 -mcmodel=medany \

-nostartfiles -nostdlib -nostdinc -static -lgcc \ -T $(FEMTO)/env/qemu-sifive_e/default.lds \

$(FEMTO)/build/obj/rv64imac/env/qemu-sifive_e/crt.o \

$(FEMTO)/build/obj/rv64imac/env/qemu-sifive_e/setup.o h.o

$(FEMTO)/build/lib/rv64imac/libfemto.a -o hello64

nous obtenons sous la version 64 bits de qemu le r´ esultat

$ [...]/riscv-qemu/riscv64-softmmu/qemu-system-riscv64 -M sifive_e \ -nographic -kernel hello64

8 00000078 00000056 00000034 00000012

→ long occupe 8 octets (64 bits)

→ toujours little endian

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num´erique

J.-M Friedt

Exercice

1 Configurer le port de communication SPI

2 Envoyer des messages sur le bus SPI

3 Observer ` a l’oscilloscope les trames sur MOSI apr` es avoir identif´ e la broche du connecteur correspondant

4 Sont-elles coh´ erentes avec le signal CK en fonction des param` etres du bus SPI ? (CPHA, CPOL)

5 Observer les trames sur bus RS232 et v´ erifier la coh´ erence avec les messages transims

6 Ecrire dans un registre ´ du XE1203 (SPI2) et en relire la valeur pour v´ erifier qu’elle a ´ et´ e stock´ ee

(Penser ` a r´ einitialiser le microcontrˆ oleur ` a la main apr` es l’avoir flash´ e)

{c}SENSeOR2011 U$1

HMC470LP3

U1

R1

R2 R3

C1 C2

C3

C4 C6 C5

C7 C8 C11

Q3

C15 L2 C16

C17C18 C19

C20

C21

C22

L3L4

C25

L5

L6 C26 C27

L7 R5 C28C29

C30

U$4

U$5 RESET

R8C33

C34

C36 DLOAD

C10

C12 C13

D1 R4

R6

IC4

C39 X4

C9C14C23C24 C31C32C35C37

C38 Q4 Q5 Q_32K_SMD

R7

Xe1203

IC5

X2

Q1 R9

AD694

R10

X1 C40

TLV

R11

R12

R16 R17

ADM809

R13

R14R15

D2

L1 STM32F10XRXT6 5600

5600NC

13p 13p

100n

100n100n 100n100n

39MHz

5.6p22n 47p

4.7p 22p 6.8p

1p

68p

1u

22n22n

6.8p

33n 33n

1.5p

1.5p 100n 1.2k3.3n 220p

1p

SAW3.3

SAW3.3 RESET

0

100n

47u

NC

100p

100p 100p

1k 1K

FT232RL

100n

MINI-USB-SHIELD-UX60-MB-5ST 1.5p1.5p1.5p1.5p1.5p1.5p 1.5p 1.5p 100n

Q_8MHZ_SMD 5600

2n2222 5600

100n

5K

15k

4k7 10k

15k

NCNC

BB141

SCLK MOSI

MISO CS#

UART1

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´Electronique num´erique