Instrukcja_Lab5(2).pdf

Zakład Techniki Cyfrowej

Laboratorium z przedmiotu „Architektura komputerów i systemy operacyjne”

Ćwiczenie nr 5 Komunikacja z wykorzystaniem portu szeregowego UART

autor instrukcji: dr inż. Lech Zagoździński

lzagozdzinski@wat.edu.pl

Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z zasadami programowania i wykorzystania interfejsów

szeregowych na przykładzie interfejsu UART.

Wymagania dla studentów

Niezbędna jest umiejętność programowania z wykorzystaniem języka C w zakresie składni,

operatorów pętli, konstrukcji warunkowych oraz znajomości operacji na wskaźnikach, tablicach, i

operacji wywołania funkcji.

Konieczne jest rozumienie pojęcia „przerwanie” oraz sposobu jego obsługi w mikrokontrolerach z

rdzeniem ARM Cortex M3.

Przed wykonaniem ćwiczenia studenci powinni zapoznać się z niniejszą instrukcją, plikami

aplikacji przykładowej z katalogu LAB_UART oraz umieć wyjaśnić zagadnienia podane jako

„tematy do przemyślenia” (podane kursywą).

Ponadto studenci powinni posiadać umiejętności nabyte we wcześniejszych ćwiczeniach

laboratoryjnych z przedmiotu „Architektura komputerów i systemy operacyjne”, w szczególności

znać sposoby obsługi środowiska IDE Keil Vision oraz budowy aplikacji w języku C.

Kolokwium wstępne

W czasie kolokwium będą zadane trzy pytania z zakresu objętego wymaganiami dla studentów.

Każde z pytań będzie ocenione w skali od 0 – 1pkt z gradacją co 0,25pkt.

W czasie kolokwium można korzystać z wydrukowanych fragmentów dokumentacji procesora [z

plików STM32F103VBT6.pdf – rozdział 4 Memory mapping oraz stm32f10xxx.pdf – rozdział 25

Universal synchronous asynchronous receiver transmitter (USART)] oraz z wydruków aplikacji

przykładowej.

Zakres pytań:

Pytanie nr 1- podstawowe konstrukcje języka C

Pytanie nr 2- budowa i konfiguracja interfejsu USART

Pytanie nr 3- budowa i zasada działania aplikacji przykładowej

Ocena wyników

Ocenie będą podlegały następujące składniki ćwiczenia:

• staranność wykonania kodu

• samodzielność pracy i znajomość wytworzonego oprogramowania

• uzyskane funkcjonalności

każde z zadań jest oceniane osobno, punktacja podana jest w rozdziale 2.4 .

1 Asynchroniczna transmisja szeregowa

Transmisja asynchroniczna oznacza szeregowy przesył danych znak po znaku, które są kodowane

jako ciąg bitów oddzielanych specjalnymi znacznikami początku i końca znaku. Transmisja nie jest

synchronizowana żadnymi znakami specjalnymi, czy ciągami synchronizującymi. Jej początek

określają zmiany wartości początkowej z poziomu wysokiego na niski. Początek transmisji każdego

ze znaków jest określany z chwilą rozpoczęcia jego nadawania. Interpretacja znaku w odbiorniku

następuje po nadaniu kilku bitów danych, dlatego niewielkie różnice częstotliwości taktowania, po

obu stronach linii (nadajnik/odbiornik), nie mają istotnego znaczenia. Dla detekcji błędów

transmisji opcjonalnie używa się 1-bitowego znacznika parzystej liczby takich samych wartości

bitów jednego znaku. Dane są transmitowane znak-po-znaku na jednym przewodzie transmisyjnym.

W układach transmisji danych każdy bit (lub znak) musi być rozpoznany w czasie określonym

przez takt zegara synchronizującego. Ciąg bitów określających znak jest transmitowany w

znormalizowanej formie zwanej ramką czasową, którą przedstawiono na rys 1.

START

STOP

Rysunek 1: Struktura ramki asynchronicznej transmisji

szeregowej

Zmiana sygnału, na przewodzie transmisyjnym, z poziomu wysokiego na niski rozpoczyna

przedział czasu określający bit startu (START). Po bicie startu następuje od 5 do 8 bitów danych

poczynając od najmłodszego - D0, do najstarszego - D7. Ilość bitów zależy od konfiguracji

współpracujących urządzeń. Po bitach danych zostaje zapisany bit parzystości (P) określający

liczbę jedynek w ciągu danych (parzysta lub nieparzysta). Jego zastosowanie jest najprostszym

sposobem sprawdzenia pojedynczego błędu transmisji. Przed kolejnym bajtem danych (znakiem),

rozpoczynanym bitem startu są umieszczane: 1, 1.5 lub 2 interwały czasowe dla bitów końca znaku,

które nazwano bitami stopu (STOP).

Temat do przemyślenia:

Przeanalizuj zależności czasowe transmisji asynchronicznej dla różnych szybkości np. 9600, 19200,

itd. [bod]. Jaka jest rzeczywista przepływność binarna łącza, rozumiana jako ilość bitów

informacyjnych jaką maksymalnie udaje się przetransmitować w jednostce czasu.

2 Wykonanie ćwiczenia

Ćwiczenie wykorzystuje interfejs USART układu STM32F10103, który będzie skonfigurowany w

tryb pracy asynchronicznej (UART). Wymiana danych pomiędzy interfejsem a aplikacja będzie

następowała z wykorzystaniem systemu przerwań. Duży nacisk położono na strukturę kodu, w

której wyraźnie rozdzielono funkcjonalności drivera i aplikacji.

2.1 Konfiguracja stanowiska

Płytka laboratoryjna ZL27ARM wykorzystuje złącze CON3 w standardzie RS232C do transmisji

szeregowej.

Temat do przemyślenia

Przeanalizuj schemat ideowy płyty ZL27ARM. Wskaż numer portu USART, do którego jest

dołączone złącze CON3. Wyszuka informacje na temat standardu RS232C oraz układu U4. Jaka jest

jego funkcja?

Podłączenie płyty ZL27ARM do komputera wymaga wykorzystania kabla typu DCE-DTE, oraz

konwertera USB-RS232C. Należy zestawić stanowisko zgodnie z rysunkiem 1. Przed włączeniem

zasilania płyty należy uzyskać zgodę prowadzącego.

ST-LINK

JTAG

USB

ZL27ARM

Konwerter

USB RS232

CON3

USB

Rysunek 2: Konfiguracja stanowiska laboratoryjnego

Następnie należy realizować ćwiczenie zgodnie z punktem 2.4 . Po zrealizowaniu każdego

podpunktu należy zgłosić ten fakt prowadzącemu. Kolejność realizacji podpunktów jest narzucona

przez instrukcję i nie należy jej zmieniać. Do końca ćwiczenia należy zachować kopię kodów

programu wykonanych do danego podpunktu.

Ćwiczenie jest realizowane w oparciu o aplikację przykładową. Wszystkie działania

studentów polegają na modyfikacjach i uzupełnianiu tej aplikacji. Do końca ćwiczenia należy

zachować kopię kodów programu wykonanych do danego podpunktu.

Należy skopiować katalog LAB_UART_ZRODLA do własnego katalogu i otworzyć w środowisku

Keil Microvision projekt LAB_UART. Okno projektu powinno odpowiadać rysunkowi

Rysunek 3: Struktura projektu

2.2 Struktura aplikacji

Wykonanie ćwiczenia opiera się na algorytmie pokazanym na rysunku 4. Jest to prosta aplikacja,

która po rozpoczęciu działania wykonuje niezbędne inicjalizacje a następnie przechodzi do

nieskończonej pętli programu, w której oczekuje na zdarzenia, a po ich wystąpieniu obsługuje je.

Algorytm aplikacji przykładowej pokazano na rysunku 4.

main

Niezbędne

inicjalizacje

Sprawdze-

nie

znacznika

Driver

Obsługa

danych

Obsługa

przerwań

Bufor danych

Rysunek 4: Struktura aplikacji przykładowej

Ilustruje to fragment kodu.

<main.c>=

#include "stm32f10x.h"

#include "uart_drv.h"

#include "io.h"

void main(void){

<niezbędne inicjalizacje>

while(1){

if(<sprawdzenie znaczników>){

<obsługa danych>

}

Temat do przemyślenia

Na podstawie kodu źródłowego aplikacji laboratoryjnej należy wskazać jakie urządzenia

peryferyjne mikrokontrolera są inicjalizowane w bloku <niezbędne inicjalizacje> . Należy

zapoznać się z tymi urządzeniami.

Jak pokazano program main nie zajmuje się obsługą buforów danych, funkcja ta jest realizowana

przez driver. Zadaniem drivera jest obsługa systemu przerwań oraz buforów danych. Funkcje

wchodzące w jego skład bezpośrednio odczytują i zapisują dane do rejestrów danych interfejsu

transmisji danych (UART). Operacje te będą opisane w dalszej części instrukcji.

Znaczniki informują aplikację, czy w buforach danych znajduje się informacja, która wymaga

obsłużenia. W aplikacji przykładowej znaczniki te są ukryte w pliku <buffer.o> . Dostęp do

nich jest zrealizowany niejawnie, za pośrednictwem funkcji interfejsu

<sprawdzenie znaczników>=

getRxUartData(<adres bufora>) .

Temat do przemyślenia

Funkcja getRxUartData zwraca wartość, która odpowiada ilości danych przepisanych do bufora,

którego adres jest parametrem wywołania. Wskazać deklarację tego bufora w aplikacji

przykładowej oraz podać własny przykład implementacji funkcji getRxUartData .

Obsługa danych w aplikacji przykładowej polega na wysłaniu danych do drivera celem odesłania

ich do komputera PC.

<obsługa danych>=

putTxUartData(buffer, num);

putTxUartData("\n\r", 2);

Funkcja putTxUartData jest interfejsem drivera, który pobiera adres bufora oraz ilość danych,

które się w nim znajdują.

Temat do przemyślenia

W jakim celu umieszczono instrukcję putTxUartData("\n\r", 2) . Co oznaczają znaki \n i \r.

2.2.1 Driver - obsługa buforów danych

Obsługa buforów danych interfejsu UART jest zrealizowana przy pomocy funkcji:

int putTxUartData(char * buffer, int num);

int putRxUartData(char * buffer, int num);

int getTxUartChar(char * buffer);

int getRxUartData(char * buffer);

Aplikacja przykładowa nie udostępnia szczegółów implementacji funkcji obsługi buforów danych.

Implementacja procedur obsługi buforów danych jest tematem zadania 2.4.3 . Udostępniony jest

interfejs funkcji w postaci nagłówka „ buffer.h ”. Kod binarny biblioteki jest dołączany do projektu

w postaci pliku „ buffer.o ”.

Ważne jest, aby Studenci przed realizacją ćwiczenia zrozumieli zasady wykorzystania buforów w

aplikacji przykładowej. Jeżeli Ty masz kłopoty, zapytaj kolegów lub wykładowcy.

2.2.1.1 Funkcja putTxUartData

Funkcja interfejsu putTxUartData umieszcza w buforze nadawczym interfejsu UART num bajtów

danych zawartych w buforze buffer oraz inicjuje nadawanie. Funkcja zwraca wartość mówiącą o

ilości danych, które udało się umieścić w buforze. Jeżeli bufor jest pełny funkcja zwraca wartość

zero. Oznacza to, że funkcja nie nadpisuje danych w buforze nadawczym. Wszystkie uprzednio

wpisane dane zostaną wysłane.

Temat do przemyślenia

Zaproponuj własną implementację bufora. Czy Twoja implementacja posiada zabezpieczenie przed

nadpisaniem jeszcze nie wysłanych danych? Jeżeli nie, to w jaki sposób można zrealizować tą

funkcjonalność?

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: