Informatique embarqu´ee 4/16

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embarqu´ee 4/16 J.-M Friedt

Informatique embarqu´ ee 4/16

J.-M Friedt

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

transparents `ajmfriedt.free.fr

5 f´evrier 2018

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embarqu´ee 4/16

J.-M Friedt

Exploitation d’une biblioth` eque

1 dangers d’une biblioth`eque

2 utilit´e d’une biblioth`eque

Les ressources additionnelles ne se justifient que sur microcontrˆoleur haut de gamme (>16 bits)

Diverses impl´ementations libres des biblioth`eques standard du C :

• glibc (http://www.gnu.org/software/libc/, utilis´ee par le noyau Linux) ...

• ... et eglibc (embeddedglibc,http://www.eglibc.org/home) ont fusionn´e,

• uClibc (http://www.uclibc.org/, utilis´ee par uClinux),

• ...

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embarqu´ee 4/16

J.-M Friedt

Exploitation d’une biblioth` eque –

newlib

Newlib: implémentation delibcrépondant à toutes les exigences d’un OS ⇒complet, mais complexe et lourd

L’utilisation de printfet du calcul flottant n’est pas à prendre à la légère :

Taille du fichier .hex intel¹: avec stdio 80336 sans stdio 4048 sans stdio, avec une division flottante 12950 sans stdio, avec atan sur flottant 17090 avec stdio, avec une division flottante 80397 avec stdio, avec atan sur flottant 80397

1. J.-M Friedt, É. Carry,Développement sur processeur à base de cœur ARM7 sous GNU/Linux, GNU/Linux Magazine France117(Juin 2009), pp.40-59

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embarqu´ee 4/16

J.-M Friedt

Le probl` eme ...

Dans un programme en C, l’appel `amalloc()se traduit par une erreur

`

a l’´edition de liens

arm-none-eabi/lib/thumb/cortex-m3/libc.a(lib_a-sbrkr.o): In function ‘_sbrk_r’:

newlib/libc/reent/sbrkr.c:58: undefined reference to ‘_sbrk’

Idem pourprintf()

arm-none-eabi/lib/thumb/cortex-m3/libc.a(lib_a-sbrkr.o): In function ‘_sbrk_r’:

newlib/libc/reent/sbrkr.c:58: undefined reference to ‘_sbrk’

arm-none-eabi/lib/thumb/cortex-m3/libc.a(lib_a-writer.o): In function ‘_write_r’:

newlib/libc/reent/writer.c:58: undefined reference to ‘_write’

arm-none-eabi/lib/thumb/cortex-m3/libc.a(lib_a-closer.o): In function ‘_close_r’:

newlib/libc/reent/closer.c:53: undefined reference to ‘_close’

arm-none-eabi/lib/thumb/cortex-m3/libc.a(lib_a-fstatr.o): In function ‘_fstat_r’:

newlib/libc/reent/fstatr.c:62: undefined reference to ‘_fstat’

arm-none-eabi/lib/thumb/cortex-m3/libc.a(lib_a-isattyr.o): In function ‘_isatty_r’:

newlib/libc/reent/isattyr.c:58: undefined reference to ‘_isatty’

arm-none-eabi/lib/thumb/cortex-m3/libc.a(lib_a-lseekr.o): In function ‘_lseek_r’:

newlib/libc/reent/lseekr.c:58: undefined reference to ‘_lseek’

arm-none-eabi/lib/thumb/cortex-m3/libc.a(lib_a-readr.o): In function ‘_read_r’:

newlib/libc/reent/readr.c:58: undefined reference to ‘_read’

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embarqu´ee 4/16

J.-M Friedt

Exploitation d’une biblioth` eque –

newlib

https://sourceware.org/newlib/libc.html#Stubs: 17 stubs, colle entrenewlibet nos programmes².

• exit: quitter un programme sans fermer les fichiers ouverts

• environ :

• execve :

• fork :

• fstat :

• getpid :

• isatty :

• kill :

• link :

• lseek :

• open :

• read : lire depuis un fichier

• sbrk :utilis´e parmalloc

• stat :

• times :

• unlink :

• wait :

• write : ´ecrire dans un fichier, incluant stdout

2. http://wiki.osdev.org/Porting_Newlib

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embarqu´ee 4/16

J.-M Friedt

Exploitation d’une biblioth` eque –

newlib

Exemple d’impl´ementation (envoyerstdiosur port s´erie)

s s i z e t r e a d r (s t r u c t r e e n t ∗r , i n t f i l e , v o i d∗p t r , s i z e t l e n ) {c h a r c ; i n t i ; u n s i g n e d c h a r ∗p ;

p = (u n s i g n e d c h a r∗) p t r ; f o r ( i = 0 ; i<l e n ; i ++)

{w h i l e ( g l o b a l i n d e x == 0 ){}// ! u a r t 0 k b h i t ( ) ) ; c = g l o b a l t a b [ 0 ] ; g l o b a l i n d e x =0; // ( c h a r ) u a r t 0 g e t c ( ) ; i f ( c == 0x0D ){∗p=’ \0 ’;b r e a k;}

∗p++ = c ; j m f p u t c h a r ( c , NULL , 0 , 0 ) ; }

r e t u r n l e n−i ; }

s s i z e t w r i t e r ( s t r u c t r e e n t ∗r , i n t f i l e , c o n s t v o i d∗p t r , s i z e t l e n ) {i n t i ; c o n s t u n s i g n e d c h a r∗p ;

p = (c o n s t u n s i g n e d c h a r∗) p t r ; f o r ( i = 0 ; i<l e n ; i ++)

{i f (∗p ==’ \ n ’ ) j m f p u t c h a r (’ \ r ’, NULL , 0 , 0 ) ; j m f p u t c h a r (∗p++,NULL , 0 , 0 ) ;

} r e t u r n l e n ; }

v o i d j m f p u t c h a r (i n t a ,c h a r∗c h a i n e , i n t∗c h a i n e i n d e x ,i n t USARTx )

{ i f ( c h a i n e != NULL ){c h a i n e [∗c h a i n e i n d e x ]= a ;∗c h a i n e i n d e x=∗c h a i n e i n d e x +1;}

e l s e {i f ( u s a r t p o r t ==1)

{USART SendData ( USART1 , a ) ;

w h i l e( U S A R T G e t F l a g S t a t u s ( USART1 , USART FLAG TC ) == RESET ){; } }

e l s e

{USART SendData ( USART2 , a ) ;

w h i l e( U S A R T G e t F l a g S t a t u s ( USART2 , USART FLAG TC ) == RESET ){; } }

}

} 6 / 23

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embarqu´ee 4/16

J.-M Friedt

D´ emonstration

#i f d e f u s e s t d i o

f o r ( tempe =1; tempe<10; tempe++) {mf=mf∗l f ;}

p r i n t f (" \ n + mf =% d \ n ", (i n t) mf ) ;

t =(c h a r∗) m a l l o c ( 2 0 0 ) ; // m a l l o c r e q u i e r t s b r k p r i n t f (" ^% x \ n ^% x \ n ", (i n t) t [ 0 ] , t [ 1 9 9 ] ) ;

memset ( t , 0 x55 , 2 0 0 ) ;

p r i n t f (" ^% x \ n ^% x \ n ", (i n t) t [ 0 ] , t [ 1 9 9 ] ) ;

#e n d i f w h i l e ( 1 ) {

#i f n d e f u s e s t d i o p u t c h a r s ( welcome ) ;

#e l s e

p r i n t f (" % s ", welcome ) ;

#e n d i f

i f ( i<10) p u t c h a r ( USART1 , i +’ 0 ’) ;

e l s e p u t c h a r ( USART1 , i +’ A ’−10) ; i ++;i f ( i ==16) i =0;

. . .

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embarqu´ee 4/16

J.-M Friedt

D´ emonstration

Compromis entre temps de d´eveloppement, fonctionnalit´es et occupation de ressources

3240 main.bin 31824 main_stdio.bin

Ici, affichage parprintf(), allocation de m´emoire parmalloc(), calculs flottants

Un ´emulateur pour tester ses programmes en l’absence du mat´eriel : https://github.com/beckus/qemu_stm32

qemu-system-arm -M stm32-p103 -serial stdio -serial stdio -kernel main.bin suppose néanmoins une implémentation “correcte” des périphériques.

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embarqu´ee 4/16

J.-M Friedt

Probl` eme de la coh´ erence de la

chaˆıne de compilation

• Les bibliothèques doivent suivre le même modèle de binaire que ceux générés par le compilateur (EABI)

• ... et être compilées avec les mêmes options (e.g. hard float v.s soft float).

• Recompiler ses outils pour garantir la coh´erence :

https://github.com/jmfriedt/summon-arm-toolchainqui se charge de configurer tous les outils de la mˆeme fa¸con

TARGET=arm-none-eabi PREFIX=${HOME}/sat

./configure --target=${TARGET} --prefix=${PREFIX} --enable-multilib ...

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embarqu´ee 4/16

J.-M Friedt

Conception de logiciels

1 Séparer le code lié au matériel (initialisation et accès aux ressources matérielles) de l’algorithmique

2 Compilation séparée : choisir une implémentation du matériel ou une

´

emulation logicielle (gccsupporte une multitude de plateformes)

3 Permet de tester son code sur PC avant de le porter au

microcontrˆoleur (simulation de diverses conditions mat´erielles) – test automatique, en particulier de cas pathologiques

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

5 qemupour un grand nombre de plateformes, simavrpour Atmega32U2

unsigned short interroge (unsigned short puissance, unsigned int freq,unsigned int offset,unsigned char chan) { unsigned int v12;

FTW0[1] = (freq & 0xFF000000) >> 24;

FTW0[2] = (freq & 0xFF0000) >> 16;

FTW0[3] = (freq & 0xFF00) >> 8;

FTW0[4] = (freq & 0xFF);

[...]

v12 = readADC12 ();

readerF2_CLR; // coupe reception

TIM_ITConfig (TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE);

return (v&0x03F);

}

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embarqu´ee 4/16

J.-M Friedt

Conception de logiciels

1 Séparer le code lié au matériel (initialisation et accès aux ressources matérielles) de l’algorithmique

2 Compilation séparée : choisir une implémentation du matériel ou une

´

emulation logicielle (gccsupporte une multitude de plateformes)

3 Permet de tester son code sur PC avant de le porter au

microcontrˆoleur (simulation de diverses conditions mat´erielles) – test automatique, en particulier de cas pathologiques

unsigned short interroge(unsigned short puissance,unsigned int freq, \

__attribute__((unused))unsigned int offset,__attribute__((unused))unsigned char chan) {float reponse;

reponse =exp(-(((float)freq-f01)/df)*(((float)freq-f01)/df))*3100.;

reponse+=exp(-(((float)freq-f02)/df)*(((float)freq-f02)/df))*3100.;

reponse+=(float)((rand()-RAND_MAX/2)/bruit); // ajout du bruit;

if (reponse<0.) reponse=0.;

if (reponse>4095.) reponse=4095.;

usleep(60);

return((unsigned short)reponse);

} ^{11 / 23}

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embarqu´ee 4/16

J.-M Friedt

Cas des interruptions

Version PC

v o i d h a n d l e a l a r m (i n t x x x )

{// p r i n t f ( ”RTC : %d %d %d\n ” , s e c o n d e ,→

,→m i n u t e , h e u r e ) ; t i m 0 +=10;

s e c o n d e +=10;

i f ( s e c o n d e>600){m i n u t e ++; s e c o n d e =0;}

i f ( m i n u t e>60){h e u r e ++; m i n u t e =0;}

a l a r m ( 1 ) ; }

v o i d h a n d l e i o (i n t x x x ) {// i o h a p p e n e d =1;

g l o b a l t a b [ g l o b a l i n d e x ] = g e t c h a r ( ) ; i f ( g l o b a l i n d e x<( NB CHARS−1 ) )

g l o b a l i n d e x ++;

}

i n t main ( ){

s i g n a l ( SIGALRM , h a n d l e a l a r m ) ; i o h a p p e n e d =0;

s t r u c t t e r m i o s b u f ; t c g e t a t t r ( 0 , &b u f ) ;

b u f . c l f l a g &= ˜ (ECHO| ICANON ) ; b u f . c c c [ VMIN ] = 1 ;

b u f . c c c [ VTIME ] = 0 ;

t c s e t a t t r ( 0 , TCSAFLUSH , &b u f ) ; s i g n a l ( SIGIO , h a n d l e i o ) ;

i n t s a v e d f l a g s= f c n t l ( 0 , F GETFL , 0 ) ; f c n t l ( 0 , F SETFL , s a v e d f l a g s |O ASYNC| →

,→O NONBLOCK ) ; f c n t l ( 0 , F SETOWN , g e t p i d ( ) ) ;

a l a r m ( 1 ) ; // s i on v e u t s i m u l e r l e t i m e o u t }

Version microcontroleur

v o i d t i m 3 i s r (v o i d) // VERSION LIBOPENCM3 {

i f ( T I M G e t I T S t a t u s ( TIM3 , T I M I T U p d a t e ) !=→

,→RESET )

{T I M C l e a r I T P e n d i n g B i t ( TIM3 , T I M I T U p d a t e ) ; t i m 0 ++;

s e c o n d e ++; // s e c o n d e en 1/10→ ,→s e c o n d e

i f ( s e c o n d e>6 0 0 ) {s e c o n d e = 0 ; m i n u t e++;}

i f ( m i n u t e>6 0 ) {m i n u t e = 0 ; h e u r e ++;}

i f ( h e u r e>2 4 ) {h e u r e = 0;}

} }

v o i d u s a r t 1 i s r (v o i d) {

i f( U S A R T G e t I T S t a t u s ( USART1 , USART IT RXNE→

,→) )

{U S A R T C l e a r I T P e n d i n g B i t ( USART1 ,→

,→USART IT RXNE ) ;

U S A R T C l e a r F l a g ( USART1 , USART IT RXNE ) ; {

g l o b a l t a b [ g l o b a l i n d e x ]=→

,→USART ReceiveData ( USART1 ) ; i f ( g l o b a l i n d e x<(NB CHARS−1))→

,→g l o b a l i n d e x ++;

} } }

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embarqu´ee 4/16

J.-M Friedt

Profiter des outils d’analyse de

code

valgrindpour ´etudier les fuites de m´emoire

i n t main ( ) {i n t i [ 3 ] , k ;

f o r ( k =0; k<10;k++){i [ k ]= k ; p r i n t f (" % d ", i [ k ] ) ;}

}

qui s’ex´ecute pour donnerSegmentation fault ...

... est analys´e parvalgrind -q ./mon programmeet donne

==7410== Access not within mapped region at address 0x2

==7410== at 0x8048448: main (demo_valgrind.c:5)

(noter la diff´erence de comportement en ajoutantfflush(stdout)ou\n !)

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embarqu´ee 4/16

J.-M Friedt

Profiter des outils d’analyse de

code

gprofpour ´etudier le temps d’ex´ecution de chaque fonction

v o i d f o n c t i o n 1 s ( ) {v o l a t i l e i n t k ;f o r ( k =0; k<0x 1 0 0 0 0 0 0 ; k++){};}

i n t main ( ) {f o n c t i o n 1 s ( ) ;

f o n c t i o n 2 s ( ) ; f o n c t i o n 3 s ( ) ; }

qui se compile avec l’option-pgpour générer à l’exécutiongmon.out...

... qui s’analyse pargprof -bp ./mon programmeet donne

% cumulative self self total

time seconds seconds calls ms/call ms/call name 55.56 0.10 0.10 1 100.00 100.00 fonction3s

33.33 0.16 0.06 1 60.00 60.00 fonction2s

11.11 0.18 0.02 1 20.00 20.00 fonction1s

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embarqu´ee 4/16

J.-M Friedt

Simulateur

Capture d’écran degtkwaveutilisé pour afficher l’évolution 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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embarqu´ee 4/16

J.-M Friedt

Simulateur

Capture d’écran degtkwaveutilisé pour afficher l’évolution de la pile.

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 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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embarqu´ee 4/16

J.-M Friedt

Virgule fixe/virgule flottante

• Repr´esentation d’un nombre en virgule flottante :

• mantisse/exposant (mantisse∈[0,1−1[), similaire `a la notation scientifique 0,1234×10³

• supporte une large gamme de valeurs, au d´etriment de la pr´ecision (codage de la position de la virgule)

• exposant 8 bits-mantisse 23 bits (float), 11-52 (double) qui code donc 2^±1024'10^±308 sur 15 d´ecimales (2⁵²'4×10¹⁵)

• ⇒arithmétique complexe, addition passe par la dénormalisation pour avoir le même exposant (donc des 0 en début de mantisse du nombre le plus petit), multiplication aisée

• impl´ementation mat´erielle sur processeurs haut de gamme (FPU)

• Représentation en virgule fixe : homothétie pour se ramener à des calculs sur des entiers.

• on note Qm.n pour représenter la partie entière sur m bits et la partie fractionnaire sur n bits³ (notation en complément à deux, donc inclut un bit de signe)

3. Maxim, Application Note 3722 : Developing FFT Applications with Low-Power Microcontrollers (2006)

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embarqu´ee 4/16

J.-M Friedt

Op´ erations sur les flottants

• flottant = mantisse·2^exposant

• ⇒multiplication somme les exposants et multiplie les mantisses (probl`eme de pr´ecision)

• ⇒sommer n´ecessite d’aligner les mantisses en ajustant les exposants

• en l’absence de FPU, op´erations logicielles gourmandes en ressources

Exemple sur STM32F1 (pas de FPU)⁴:

Op´eration dur´ee (µs)

ADC →entier 1,73

ADC→flottant 3,36

entier×10⁶/10⁶ 1,08 entier (<<20)(>>20) 0,83 IIR `a 2 coefficients flottants 30

IIR `a 2 coefficients entiers 3

4. donn´ees acquises par G. Matten, LMA, FEMTO-ST

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embarqu´ee 4/16

J.-M Friedt

Cas de la fonction affine

1 Un microcontrôleur manipule une donnée dans sa représentation : une fréquence de DDS est comprise entre 0 etfCK, représentée par [0..2^N−1],

2 un humain veut connaˆıtre une fr´eqeunce en Hz fHz =mot

2^N ·fCK 3 application num´erique,fCK = 70 MHz etN= 28

⇒70·10⁶/2²⁸= 0.260770320892334

4 GNU/Octave (Matlab) :rats(0.260770320892334,5)=6/23et rats(0.260770320892334,8)=914/3505

5 mot∈[0..2²⁸]⇒mot×914 sur 38 bits

6 mais si la bande de fréquence est connue (e.g. 8-10 MHz), bits de poids fort peuvent être éliminés

(mot&0x003fffff)*914/3505sera exacte, tandis que

0x00400000*914/3505 est pr´ecalcul´e (bits de poids forts connus)

7 si la fréquence est imprécise, bits de poids faible peuvent être

´

elimin´es : (mot>>8)*914/3505perd les 100 derniers Hz

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embarqu´ee 4/16

J.-M Friedt

Exemple de capteur

• soit une mesure de fréquencef issue d’un capteur oscillant, dont la fréquence de vibration change avec la températureT

• sachant quef '1 MHz avec une précision de 10 Hz, on veut obtenir la température à 0,1 K près :

300000 400000 500000 600000 700000 800000 900000 1e+06

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150

frequence (Hz)

temperature (degC)

-40 -20 0 20 40 60 80

700000 750000 800000 850000 900000 950000 1e+06

temperature (degC)

frequence (Hz)

f =−6,6667×T²+ 2000×T+ 916670 T=−150 +√

160000−0,15×f

Exprimer cette loi d’´etalonnage avec des coefficients entiers Rappel : la suitex_n+1= ¹₂

x_n+_x^y

n

converge vers√ y

(m´ethode de Newton surx2−y= 0 avecxn+1 =xn−f/f0)

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embarqu´ee 4/16

J.-M Friedt

Application des coefficients

d’´ etalonnage

T =A+√

B+C·f Hypoth`eses :

• f '10⁶(1 MHz)

• f `a 10 Hz pr`es

• A'100

• C '0,1

• T `a 0,1 K pr`es

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embarqu´ee 4/16

J.-M Friedt

Application des coefficients

d’´ etalonnage

Exemple de calcul en virgule fixe compte tenu de la pr´ecision recherch´ee :

1 la loi liant fr´equence et temp´erature est du type f =αT²+βT +γ⇒T =A±√

B+Cf

2 alors (T−A)²=B+C×f donc 2(T−A)dT−2(T −A)dA= dB+dC ×f ⇒ |dT|=

dB 2(T−A)

+

dC×f 2(T−A)

+|dA|

3 on doit donc travailler avec chacun de ces termes inf´erieurs `a 0,1.

4 Application num´erique : par conception,T −A≥100 etf ≤10⁶ doncdB≤10,dA≤0,1 et dC ≤10⁻⁵

5 on va donc travailler surA×10 etC×10⁵ pour respecter la r´esolution recherch´ee

6 cependant,C '0,1 doncC×10⁵×f '10¹⁰ qui n´ecessite 34 bits,

7 maisf `a 10 Hz donc on peut travailler sur C×10⁵×(f/10)'10⁹ qui ne n´ecessite que 30 bits

Conclusion : 10·A, 10⁴·B et 10⁵·C pr´e- calcul´es

10×T = 10×A+ 10√

B+C·f 10×A+ 10√

B·10⁴+C·f ·10⁴/100 10×A+p

B×10⁴+ (10⁵C) (f/10)/10

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embarqu´ee 4/16

J.-M Friedt

Mise en pratique

Nous quittons l’AVR qui a choisi de d´evelopper sa propre libc, pour passer au STM32

• processeur 32 bits capable d’embarquer des biblioth`eques (puis environnements ex´ecutifs)

• summon-arm-toolchainfournit un script pour générer un ensemble “cohérent” d’outils – explication de sa compilation à http://jmfriedt.free.fr/summon_arm.pdf

• le processeur se d´ecline en une multitude de classes :linker script appropri´e.

• Emulateur pour STM32 :´ qemu pour ARM complété de l’émulation de périphériques –https://github.com/beckus/qemu_stm32.

Les divers outils de compilation :Makefile,configure,cmake Les divers outils d’archivage :svn,git,hg(mercurial)

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