Bài 60.726 phút đọc

Level 7: Hệ thống nhúng

Sau bài này bạn sẽ làm được

Thiết kế hệ nhúng không dùng malloc và không dùng số thực
Đọc cảm biến và điều khiển thiết bị ngoại vi qua I2C, SPI
Viết trình xử lý ngắt ngắn chỉ đặt cờ
Đo và báo cáo RAM và Flash đã dùng

Hệ thống nhúng đảo ngược mọi thói quen: không malloc, không số thực, không sập được vì không có ai khởi động lại. Dự án này là một trạm quan trắc trên STM32, và nó dạy lập trình C trong ràng buộc khắc nghiệt nhất.

#Mục tiêu

STM32
  GPIO      LED, nut bam
  UART      giao tiep PC, shell lenh
  SPI       the SD (ghi log)
  I2C       cam bien nhiet do do am, RTC
  ADC       cam bien anh sang
  Timer     tick he thong, PWM
  DMA       lay mau ADC lien tuc
  Ngat      xu ly su kien thoi gian thuc

Chức năng	Ngoại vi	Phần
Đọc nhiệt độ, độ ẩm	I2C	Phần 18
Đọc ánh sáng	ADC	Phần 18
Hiển thị	OLED qua I2C	Phần 18
Ghi log có thời gian	SPI thẻ SD, RTC	Phần 18
Shell lệnh	UART với ring buffer và ngắt	Phần 12, 18
Cảnh báo vượt ngưỡng	GPIO LED, buzzer	Phần 18

#Không malloc

Vì sao cấm cấp phát động trên hệ nhúng

/* Yeu cau: KHONG dung malloc, cap phat tinh hoan toan.

   Ba ly do:

   1. malloc co the THAT BAI luc chay theo cach kho du doan.
      Tren mot he chi co 20 KB RAM, phan manh heap lam malloc
      that bai du tong bo nho trong con du. Va khi no that bai,
      thiet bi treo giua canh dong, khong ai khoi dong lai.

   2. malloc co the CHAM va khong xac dinh thoi gian.
      Trong he thoi gian thuc, mot thao tac ton "khong biet bao
      lau" la khong chap nhan duoc.

   3. Ro ri bo nho tren he chay LIEN TUC thang, nam la mot bom
      hen gio. May chu web ro ri thi khoi dong lai; may do nhiet
      do ro ri thi mot ngay no chet va khong ai biet vi sao.

   Thay vao do: cap phat het luc bien dich hoac luc khoi dong. */

/* Thay vi malloc mot mang dong: */
#define MAX_MAU 256
static uint16_t mau[MAX_MAU];       /* cap tinh, biet truoc kich thuoc */
static size_t   so_mau = 0;

/* Thay vi mot hang doi dong, dung ring buffer co dinh: */
#define RB_CO 64
static uint8_t rb[RB_CO];
static volatile size_t rb_dau, rb_duoi;

Ring buffer: cấu trúc trung tâm của hệ nhúng

/* Ring buffer (bo dem vong) la hang doi kich thuoc co dinh,
   khong cap phat dong, va an toan giua ngat va vong lap chinh.

   UART nhan mot byte -> NGAT day vao ring buffer.
   Vong lap chinh -> lay ra khi ranh.

   Ngat va vong lap chinh cham vao cung bo dem, nen:
     - dau va duoi phai la volatile
     - moi ben chi sua MOT chi so (ngat sua duoi, chinh sua dau)
     - kich thuoc la luy thua 2 de dung phep AND thay vi chia */

static int rb_day(uint8_t x) {
    size_t duoi_moi = (rb_duoi + 1) & (RB_CO - 1);
    if (duoi_moi == rb_dau) return -1;      /* day, bo byte */
    rb[rb_duoi] = x;
    rb_duoi = duoi_moi;
    return 0;
}
static int rb_lay(uint8_t *x) {
    if (rb_dau == rb_duoi) return -1;       /* rong */
    *x = rb[rb_dau];
    rb_dau = (rb_dau + 1) & (RB_CO - 1);
    return 0;
}

#Số dấu phẩy cố định

Vì sao không dùng float trên MCU

/* Nhieu vi dieu khien KHONG co bo tinh so thuc phan cung (FPU).
   Tren chung, moi phep float duoc mo phong bang phan mem, cham
   gap hang chuc lan so nguyen, va keo theo mot thu vien lon.

   Giai phap: SO DAU PHAY CO DINH. Luu so thuc trong mot so nguyen,
   voi mot so bit danh cho phan le. Q16.16 nghia la 16 bit nguyen,
   16 bit le, trong mot int32_t. */

typedef int32_t fixed_t;                    /* Q16.16 */
#define FX(x)       ((fixed_t)((x) * 65536.0))    /* doi tu double (luc dich) */
#define FX_INT(f)   ((f) >> 16)                   /* lay phan nguyen */
#define FX_MUL(a,b) ((fixed_t)(((int64_t)(a) * (b)) >> 16))   /* nhan */

terminal

# Minh hoa logic bang C thuan (chay o may nao cung duoc)

./fixed

3.5 * 2.0 = 7.000 (phan nguyen 7)
3.5 + 2.0 = 5.500
nhiet = 25.6 do C

Ba quy tắc của số dấu phẩy cố định

/* 1. Cong va tru: lam TRUC TIEP tren so nguyen.
      a + b hoat dong dung vi ca hai cung dinh dang. */
fixed_t tong = a + b;

/* 2. Nhan: nhan roi DICH PHAI so bit le, va dung 64 bit trung gian.
      Neu khong dung int64_t, a * b tran int32_t. */
fixed_t tich = (fixed_t)(((int64_t)a * b) >> 16);

/* 3. Chia: dich TRAI truoc khi chia. */
fixed_t thuong = (fixed_t)(((int64_t)a << 16) / b);

/* Cai bay lon nhat: quen dung 64 bit trung gian trong phep nhan.
   Voi Q16.16, hai so co the tich toi 2^32, tran int32_t ngay.
   Do la ly do FX_MUL ep ve int64_t truoc khi nhan. */

#Ngắt gọn

Mọi ISR dưới năm mươi lệnh, chỉ đặt cờ

/* ISR (trinh xu ly ngat) chay khi mot su kien phan cung xay ra,
   va no NGAT vong lap chinh. Quy tac: ISR phai NGAN VA NHANH,
   chi dat mot co roi tra ve. Cong viec that lam o vong lap chinh. */

/* SAI: lam viec nang trong ISR */
void ADC_IRQHandler(void) {
    uint16_t gia_tri = ADC_doc();
    ghi_the_SD(gia_tri);            /* SPI cham, co the ton mili giay */
    cap_nhat_OLED(gia_tri);        /* I2C cham */
    /* Trong luc nay MOI ngat khac bi tre, he thong mat su kien */
}

/* DUNG: ISR chi dat co */
volatile uint16_t adc_moi;
volatile int adc_san_sang;
void ADC_IRQHandler(void) {
    adc_moi = ADC_doc();           /* nhanh: doc mot thanh ghi */
    adc_san_sang = 1;              /* dat co, xong */
}

/* Vong lap chinh xu ly khi ranh: */
int main(void) {
    for (;;) {
        if (adc_san_sang) {
            adc_san_sang = 0;
            uint16_t v = adc_moi;
            ghi_the_SD(v);         /* viec cham lam O DAY, ngoai ISR */
            cap_nhat_OLED(v);
        }
    }
}

volatile bắt buộc cho biến chia sẻ với ISR

volatile int adc_san_sang;

/* Bien duoc CA ISR lan vong lap chinh cham phai la volatile.
   Khong co no, trinh bien dich toi uu:
     while (!adc_san_sang) { }     // doc adc_san_sang MOT lan
   thanh vong lap vo han, vi no khong biet ISR co the doi bien.

   volatile bao "bien nay co the doi bat ky luc nao, doc lai
   moi lan". Xem Bai 55.1 ve volatile va thanh ghi phan cung.

   Va voi bien nhieu byte chia se, con can bao ve nguyen to:
   tam thoi tat ngat khi doc/ghi, hoac dung kieu atomic.
   Bai 44 ve dua du lieu ap dung ca o day. */

Phát hiện tràn ngăn xếp, và watchdog

/* Khong co he dieu hanh phat hien tran ngan xep, ban tu lam:
   dat mot SO KY DIEU o day ngan xep, kiem tra dinh ky no con
   nguyen khong. */

#define MAGIC 0xDEADBEEF
extern uint32_t _stack_bottom;      /* dia chi day stack tu linker */

void kiem_tra_stack(void) {
    if (_stack_bottom != MAGIC) {
        /* stack da de len so ky dieu -> da tran */
        bao_dong_va_khoi_dong_lai();
    }
}

/* Va WATCHDOG chong treo: mot bo dem dem nguoc, neu ve 0 thi
   phan cung tu khoi dong lai chip. Vong lap chinh phai "vo ve"
   watchdog dinh ky de chung to no con song. Neu ma treo (vong
   lap vo han, khoa chet), watchdog het gio va khoi dong lai. */
for (;;) {
    lam_viec();
    watchdog_vo_ve();               /* dat lai bo dem watchdog */
}

#Yêu cầu

Tự làm thử

Không dùng malloc, cấp phát tĩnh hoàn toàn.
Không dùng số thực, dùng số dấu phẩy cố định.
Mọi ISR dưới năm mươi lệnh, chỉ đặt cờ.
Báo cáo RAM và Flash đã dùng bằng arm-none-eabi-size.
Sơ đồ mạch và sơ đồ máy trạng thái.
Đọc cảm biến qua I2C và ADC, hiển thị OLED, ghi log thẻ SD với thời gian từ RTC.
Shell lệnh qua UART dùng ring buffer và ngắt.
Watchdog chống treo, chế độ tiết kiệm năng lượng.

Trình chấm điểm tự động sẽ được bổ sung ở giai đoạn sau. Hiện tại bạn tự chạy thử trên máy.

Tóm tắt

Hệ nhúng đảo ngược thói quen: không malloc, không số thực, không được phép sập.
Cấp phát tĩnh và ring buffer thay cho cấu trúc động; ring buffer là cấu trúc trung tâm.
Số dấu phẩy cố định thay float; nhân phải dùng 64 bit trung gian để tránh tràn.
ISR ngắn dưới năm mươi lệnh chỉ đặt cờ; biến chia sẻ với ISR phải là volatile.
Tự phát hiện tràn ngăn xếp bằng số kỳ diệu, và dùng watchdog chống treo.