Часть 1 Часть 2 Часть 3 Часть 4 Часть 5 Часть 6 Часть 7 Часть 8 Часть 9
Часть 5: Мигаем на C
Эта часть будет комбинацией частей 3 и 4. Мы перепишем код из части 3 на C, используя «инфраструктуру» для сборки из части 4 и познакомимся с некоторыми не всегда очевидными моментами, которые надо помнить при работе с микроконтроллером из кода на C.
Скрипт линкера и файл reset_exception_handler.s не поменяются, приведём лишь
код программы на C:
blinkc.c:
#include <stdint.h>
static void enable_port_clock(void);
static void configure_pin(void);
static void toggle_pin(void);
void start(void)
{
enable_port_clock();
configure_pin();
// blink loop
for (;;)
{
// wait loop
for (uint32_t delay = 1000000; delay > 0; delay--)
{
}
toggle_pin();
}
}
static void enable_port_clock(void)
{
// enable I/O port C clock
uint32_t rcc_base_address = 0x40021000;
uint32_t rcc_apb2enr_address = rcc_base_address + 0x18;
uint32_t rcc_apb2enr_iopcen = 1 << 4;
uint32_t *rcc_apb2enr_pointer = (uint32_t *)rcc_apb2enr_address;
uint32_t rcc_apb2enr_value = *rcc_apb2enr_pointer;
rcc_apb2enr_value |= rcc_apb2enr_iopcen;
*rcc_apb2enr_pointer = rcc_apb2enr_value;
}
static void configure_pin(void)
{
// configure PC13 as open-drain output with 2 MHz speed
uint32_t gpioc_base_address = 0x40011000;
uint32_t gpioc_crh_address = gpioc_base_address + 0x04;
uint32_t gpiox_crh_mode13_0 = 1 << 20;
uint32_t gpiox_crh_mode13_1 = 1 << 21;
uint32_t gpiox_crh_cnf13_0 = 1 << 22;
uint32_t gpiox_crh_cnf13_1 = 1 << 23;
uint32_t *gpioc_crh_pointer = (uint32_t *)gpioc_crh_address;
uint32_t gpioc_crh_value = *gpioc_crh_pointer;
gpioc_crh_value &= ~gpiox_crh_mode13_0;
gpioc_crh_value |= gpiox_crh_mode13_1;
gpioc_crh_value |= gpiox_crh_cnf13_0;
gpioc_crh_value &= ~gpiox_crh_cnf13_1;
*gpioc_crh_pointer = gpioc_crh_value;
}
static void toggle_pin(void)
{
// toggle PC13
uint32_t gpioc_base_address = 0x40011000;
uint32_t gpioc_odr_address = gpioc_base_address + 0x0c;
uint32_t gpiox_odr_odr13 = 1 << 13;
uint32_t *gpioc_odr_pointer = (uint32_t *)gpioc_odr_address;
uint32_t gpioc_odr_value = *gpioc_odr_pointer;
gpioc_odr_value ^= gpiox_odr_odr13;
*gpioc_odr_pointer = gpioc_odr_value;
}
Очень важный нюанс: нужно обратить внимание, чтобы эта программа компилировалась
без оптимизации, с флагом -O0. Если всё сделано верно, то make clean flash
прошьёт программу на микроконтроллер, и он замигает светодиодом.
Если же эту программу скомпилировать с флагом -O3 (не забудьте выполнить
make clean), то произойдёт странное событие. После запуска микроконтроллер
включит светодиод, да так и оставит его включённым. Чтобы разобраться, в чём
дело, попробуем дизассемблировать то, что нам скомпилировал gcc:
blinkc.o: file format elf32-littlearm
Disassembly of section .text:
00000000 <start>:
0: 4906 ldr r1, [pc, #24] @ (1c <start+0x1c>)
2: 4807 ldr r0, [pc, #28] @ (20 <start+0x20>)
4: 684b ldr r3, [r1, #4]
6: 6982 ldr r2, [r0, #24]
8: f423 0310 bic.w r3, r3, #9437184 @ 0x900000
c: f042 0210 orr.w r2, r2, #16
10: f443 03c0 orr.w r3, r3, #6291456 @ 0x600000
14: 6182 str r2, [r0, #24]
16: 604b str r3, [r1, #4]
18: e7fe b.n 18 <start+0x18>
1a: bf00 nop
1c: 40011000 .word 0x40011000
20: 40021000 .word 0x40021000
Впечатляющая работа компилятора, 57 строк кода на C он скомпилировал всего в 10 машинных инструкций. Приведём аналогичный псевдокод:
r1 := 0x40011000;
r0 := 0x40021000;
r3 := memory[r1 + 4];
r2 := memory[r0 + 24];
r1[20] := 0;
r1[23] := 0;
r2[5] := 1;
r3[21] := 1;
r3[22] := 1;
memory[r0 + 24] := r2;
memory[r1 + 4] := r3;
loop: goto loop
Видно, что имеется код для инициализации порта C и настройки вывода PC13, однако
наш цикл мигания куда-то пропал. Оказывается компилятор решил, что наш цикл
абсолютно бесполезный и если его убрать, то программа будет работать гораздо
быстрей. Не будем вдаваться в дебри стандарта C и неопределённого поведения,
просто скажем, что на всех переменных, которые работают с памятью, нужно ставить
volatile. В этом случае компилятор будет знать, что мы не просто так байты
туда-сюда пересылаем, а делаем важную работу и не будет удалять наш код.
Исправленный код:
#include <stdint.h>
static void enable_port_clock(void);
static void configure_pin(void);
static void toggle_pin(void);
void start(void)
{
enable_port_clock();
configure_pin();
// blink loop
for (;;)
{
// wait loop
for (volatile uint32_t delay = 1000000; delay > 0; delay--)
{
}
toggle_pin();
}
}
static void enable_port_clock(void)
{
// enable I/O port C clock
uint32_t rcc_base_address = 0x40021000;
uint32_t rcc_apb2enr_address = rcc_base_address + 0x18;
uint32_t rcc_apb2enr_iopcen = 1 << 4;
volatile uint32_t *rcc_apb2enr_pointer = (uint32_t *)rcc_apb2enr_address;
uint32_t rcc_apb2enr_value = *rcc_apb2enr_pointer;
rcc_apb2enr_value |= rcc_apb2enr_iopcen;
*rcc_apb2enr_pointer = rcc_apb2enr_value;
}
static void configure_pin(void)
{
// configure PC13 as open-drain output with 10 MHz speed
uint32_t gpioc_base_address = 0x40011000;
uint32_t gpioc_crh_address = gpioc_base_address + 0x04;
uint32_t gpiox_crh_mode13_0 = 1 << 20;
uint32_t gpiox_crh_mode13_1 = 1 << 21;
uint32_t gpiox_crh_cnf13_0 = 1 << 22;
uint32_t gpiox_crh_cnf13_1 = 1 << 23;
volatile uint32_t *gpioc_crh_pointer = (uint32_t *)gpioc_crh_address;
uint32_t gpioc_crh_value = *gpioc_crh_pointer;
gpioc_crh_value &= ~gpiox_crh_mode13_0;
gpioc_crh_value |= gpiox_crh_mode13_1;
gpioc_crh_value |= gpiox_crh_cnf13_0;
gpioc_crh_value &= ~gpiox_crh_cnf13_1;
*gpioc_crh_pointer = gpioc_crh_value;
}
static void toggle_pin(void)
{
// toggle PC13
uint32_t gpioc_base_address = 0x40011000;
uint32_t gpioc_odr_address = gpioc_base_address + 0x0c;
uint32_t gpiox_odr_odr13 = 1 << 13;
volatile uint32_t *gpioc_odr_pointer = (uint32_t *)gpioc_odr_address;
uint32_t gpioc_odr_value = *gpioc_odr_pointer;
gpioc_odr_value ^= gpiox_odr_odr13;
*gpioc_odr_pointer = gpioc_odr_value;
}
Этот код работает при любой оптимизации.
Помните, что компилятор C ничего не знает о том, что при записи чего-то в память вы работаете с периферийным устройством. Для него эти операции выглядят, как обычная работа с оперативной памятью и без дополнительных усилий он может оптимизировать и выбрасывать ваши инструкции, если посчитает, что это приведёт к более быстрому коду. В спорных случаях не стесняйтесь проверять скомпилированный код дизассемблером.
Полный код доступен на гитхабе.
