آموزش میکروکنترلر Stm32f10x به صورت کاملا رجیستری قسمت اول: GPIO-خروجی

خدایا با نام تو، با یاد تو و برای تو

مهدی حسن زاده آملی هستم با یک آموزش پایه‌ای و کاملا رجیستری در زمینه STM32f103  Cortex-m3، در خدمت شما هستم.
شاید برای شما سوال شده باشه چرا اصلا رجیستری، مگر توابع cmsis و یا توابع Hal جواب‌گوی پروژه‌هایمان نیستند و نمی‌توانیم از توابع آماده استفاده کنیم؟
خب به این سوال هر کسی با هر اندازه تجربه می‌تواند پاسخ دهد اما پاسخی که حداقل من را به خود قانع می‌کند این است که درسته ما توابع متنوعی را در اجرای پروژه‌هایمان می‌توانیم استفاده کنیم اما آیا در کنار اجرای پروژه‌ها به درک عمیقی خواهیم رسید؟ و آیا نسبت به توابعی که دیگران آن را نگارش کردند اطمینان خاطر داریم؟ و …

اکنون با این دید که می‌خواهیم درکی متفاوت و عمیق در زمینه میکروکنترلرهای آرم سری Cortex-m3 از خانواده‌ی بزرگ شرکت ST پیدا کنیم کار خود را شروع می‌کنیم.

طبق روال ما از ایجاد پروژه، کار خود را شروع می‌کنیم و سعی می‌کنیم یک پین را خروجی کرده و led ای را روشن و خاموش کنیم. برای کدنویسی میکروکنترلرهای ARM نرم‌افزارهای زیادی موجود است که انصافا با توجه به قدرت دیباگ نرم‌افزار کیل من از نرم‌افزار کیل استفاده می‌کنم اما شما می‌توانید از IAR ،eclips و … استفاده کنید، مهم اصول کار کردن است که باهم و در کنار هم یاد می‌گیریم.

من درمورد نصب کردن نرم‌افزار کیل چیزی نمی‌گم چون دوستان لطف کردن در این سایت و فضای اینترنت مطالب زیادی رو تهیه و به اشتراک گذاشتند و اگر باز هم مشکل داشتید در آخر این پست کامنت کنید و در قالب پستی نو برای شما آموزشی خواهم گذاشت.

اما ایجاد پروژه:
برای ایجاد پروژه کاملا طبق عکس‌های زیر عمل خواهیم کرد:
1: ایجاد پروژه جدید

2: مشخص کردن محل ذخیره فایل پروژه و تعیین نامی مناسب برای پروژه:

3: انتخاب میکروکنترلر مورد استفاده (من از STM32f103ret6 استفاده می‌کنم) برای انجام پروژه:

4: انتخاب امکانات اولیه برای کدنویسی و انتقال فایل startup  به پروژه:

5:اضافه کردن فایل main به پروژه:

خب بعد ایجاد پروژه، طبق معمول در همه‌ی پروژه‌ها به زبان C، تابع main را به پروژه خود اضافه می‌کنیم.

اما برای اینکه به امکانات میکروکنترلرهای سری M3 دسترسی داشته باشیم باید فایل هدر میکروکنترلر را به پروژه اضافه کنیم.

اما با اضافه کردن این هدر کار تمام شده نیست، بلکه باید وارد این هدر شده و میکروکنترلر مورد نظر خود را از حالت کامنت خارج کرده تا از امکانات این میکروکنترلر بهره‌مند شویم طبق عکس زیر:

اما اگر فایل stm32f10x.h را در پوشه‌ی پروژه ذخیره نکنیم نمی‌توانیم define STM32F10X_HD # را از حالت کامنت خارج کنیم.

حالا می‌ریم سروقت اصل ماجرا. برای اینکه یک پین را on یا off کنیم اول باید یک سری توضیحات درمورد بعضی رجیسترها بدهم تا اصل ماجرا رو بفهمیم، بعد بریم سراغ پروژه.
دانستن این نکته مهمه که شرکت ST علاقه دارد هر پورت خود را 16 بیتی تقسیم کند و این 16 بیت را به دو دسته 8 بیت کم ارزش و 8 بیت پرارزش تقسیم کند و برای کنترلشان نیز رجیستری را در نظر می‌گیرد.
برای خروجی کردن هر پین می‌توانیم از دو مدل آرایش مداری که به صورت نرم‌افزاری انتخاب می‌شود استفاده کنیم (PushPull و یا OpenDrin)
برای ورودی کردن هم طبق معمول حالت ها PullUp ,PullDown ,Float و آنالوگ را پشتیبانی می‌کند. و یک حالت Alternate Function هم وجود دارد که به موقع توضیح خواهم داد.

نکته بعدی هم اینکه در حالت خروجی ما می‌توانیم حداکثر فرکانسی را که از پین مورد نظرمون عبور کند را هم مشخص کنیم (10Mhz ,2Mhz ,50Mhz)

خب می‌ریم سر وقت رجیستری که ورودی-خروجی را مشخص می‌کند. اگر یادتان باشد گفتم هر پورت به دو دسته 8 بیتی تقسیم می‌شود پس به خاطر این دسته‌بندی ما از دو رجیستر برای تنظیم حالت های ورودی–خروجی استفاده می‌کنیم که اسمشان CRL و CRH است؛ که CRL برای رجیستر های 8 بیت کم ارزش و CRH برای رجیستر های 8 بیت پر ارزش است.

رجیستر CRL:

همانطور که در عکس بالا نمایش داده شده است این رجیستر 32 بیتی است و برای تنظیم هر پین ما چهار بیت را در اختیار خواهیم داشت که به صورت جدول زیر تنظیم می‌شود.

جدول بالا به ما این را می‌فهماند که اگر بخواهیم پین مورد نظر را خروجی از نوع پوش-پول کنیم باید در چهار بیتی که دراختیار داریم، در دو بیت CNF عدد “00” را نوشته و در دوبیت mode بر اساس سرعتی که می‌خواهیم، عدد موردنظر را قرار دهیم، که من می‌خواهم از سرعت 50Mhz استفاده کنم، که میشود “11” و اگر بخواهیم به صورت هگز بنویسیم می‌شود 0x3 اما چگونه باید کد نوشت؟

مثلا من برای پورت A.0 می‌‎خواهم تنظیمات رو پیکربندی کنم:

حالا شاید برای شما سوال شده باشه که چرا اول (0x0000000F)~ را با رجیستر CRL به صورت AND بیتی نوشتم! جوابتون هم یک جملست: چون درحالت اولیه تمام پین ها، ورودی و از نوع شناور یا همان float هستند (با توجه به مقدار Reset value = 0x4444 4444) و ما در ابتدا باید بیت‌های موردنظر را صفر کنیم، سپس در آن‌ها بنویسیم. عبارت (0x0000000F)~ برابر است با 0xFFFFFFF0، یعنی وقتی این عبارت با رجیستر CRL به صورت بیتی AND شود، 4 بیت اول رجیستر CRL صفر می‌شوند.

خب بعد از شناخت اولیه نسبت به رجیستر CRL (نگران نباشید در آینده آنقدر با این رجیستر سروکله خواهیم زد که شما قطعا بر این موضوع اشراف پیدا خواهید کرد) می‌ریم سروقت مقداردهی به پین موردنظرمون.

برای روشن و خاموش کردن یک پین ما سه رجیستر کاملا مجزا داریم، رجیستر های ODR ,BRR ,BSRR که هر سه تاشو توضیح می‌دم.

رجیستر ODR:

این رجیستر همانطور که در عکس بالا مشخص است یک رجیستر 32 بیتی است که فقط 16 بیت آن در دسترس است که هر بیت برای مقداردهی به هر پین منتاظر است.

از این رجیستر برای نوشتن مقدار صفر و یک در پین موردنظر استفاده می‌شود اما بهتر است فقط برای نوشتن مقدار یک از این رجیستراستفاده کنیم چون با هر بار مقداردهی به این رجیستر اگر مقدار قبلی را OR با مقدار جدید نکنیم کل مقدار قبلی را پاک می‌کنه و مقدار جدید را رایت می‌کنه (جایگزینش BSRR است)

یک را شیفت به چپ میدهیم صفرتا =>یعنی بیت صفرم پورت Aرا یک کن

اما برای خاموش کردن این پین از رجیستر BRR استفاده می‌کنیم.

رجیستر BRR :

این رجیستر هم 32 بیتی است که 16 بیت آن در دسترس است که با نوشتن مقدار یک در این رجیستر پین مورد نظر را صفر می‌کند (به همین سادگی)
این رجیستر برای صفر کردن پین هایی استفاده میشه که  از طریق ODR یک شدن (البته در هر صورت برای صفر کردن استفاده میشه اما بیشترین کاربردش برای clear کردن پینی است که از طریق ODR یک شده است)

اما رجیستری که هم خودش می‌تونه پینی رو یک کنه و هم صفر کنه!

رجیستر BSRR:

این رجیستر 32بیتی است که 16 بیت کم ارزش آن برای یک کردن پین‌ها استفاده می‌شود و 16 بیت پر ارزش آن برای صفر کردن پین‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

کد بالا اول پین شماره صفر از پورت A را یک می‌کند و بعد از صرف زمانی خاص صفر می‌کند.

نکته مهم و پایانی که اگر این نکته را در کدنویسی خود رعایت نکنید قطعا جوابی حاصل نخواهد شد.

طبق عکس بالا که طراحی هسته‌های ARM سری Cortex-m3 شرکت ST را نشان می‌دهد، هر کدام از پریفرال‌ها (امکانات) این میکروکنترلر از طریق باس (رابط) هایی با هسته‌ی مرکزی در ارتباط هستند. حال اگر بخواهیم مثلا پریفرال‌های مانند USART ,i2C ,TIMER ,GPIO و … را راه‌اندازی کنیم و استفاده داشته باشیم باید باس متصل به آن پریفرال را فعال کنیم تا (به قول معروف اول خون به اعضاء برسه و بعد استفاده کنیم) بتوانیم استفاده کنیم.
خب برای فعال سازی کلاک GPIOها اول به عکس بالا نگاه می‌کنیم تا به کدام یک از باس ها متصل هستند، اگر خوب نگاه کنیم می‌بینیم GPIOها به باس APB2 متصل هستند.

رجیستر APB2ENR:
این رجیستر عمل فراهم‌سازی کلاک رو برای پریفرال‌های متصل به خود فراهم می‌سازد.

این رجیستر هم 32 بیتی است که بعضی قسمت های آن در دسترس ما است که می‌توانیم با یک کردن این قسمت‌ها کلاک را برای پریفرال مورد استفاده‌مان فراهم سازیم.

این کد یعنی بیت شماره دو که برای پورت A است را یک کن تا کلاکش مهیا شود.

کد نهایی:

با توضیحات بالا فکر می‌کنم همه‌ی شما قطعا می‌تونید اولین پروژه کاملا رجیستری خودتون رو پیاده‌سازی کنید و درکی درست از برنامه نویسی میکروکنترلر ARM کسب کنید.

در جلسه آینده ان شاالله باهم حالت ورودی IOها را برسی خواهیم کرد و بعد سراغ وقفه خارجی خواهیم رفت.