Написать эту статью меня побудил шок от первого знакомства с Node-RED. Я давно уже не работал с продуктами с историей из недр IBM, поэтому как-то поотвык. Все дело в том, что IBM имеет давние традиции по написанию программного обеспечения. Они в стародавние времена, когда основатели Microsoft еще ходили в коротких штанишках, уже пожинали в полном объеме все проблемы, связанные с написанием крупных программных продуктов. Именно там, на вершине IT-прогресса, выкристаллизовывался тот самый подход, который позволил IBM в дальнейшем делать очень интересные программные продукты. Как правило, они отличаются по логике работы и внешнему виду от всего, к чему мы, работая за компьютером, обычно привыкли. Но как только начинаешь понимать логику и процессы работы в продуктах от IBM, то не перестаешь все время задавать себе один и тот же вопрос: «А как же раньше мы без этого работали?» За свою долгую историю «Голубой гигант», как называются компанию в США, прошел путь от табуляторов до одной из богатейших транснациональных компаний в мире. И богатство компании приносит в первую очередь ее интеллектуальная собственность: ноу-хау, патенты и прочее. Из того чем компания занималось особенно запомнилась: OS/360 (потомки этой операционной системы с обратной совместимостью живут и сейчас, а ведь прошло уже более полувека, почти вся история современной вычислительной техники), OS/2 (эта операционная система по сути крутится внутри всех современных Windows), Visual Age (интегрированные среды разработки с существенной визуальной составляющей).
OneNote — штука наизамечательнейшая. Это отличный блокнот с синхронизацией записей, бесплатный и доступный на всех актуальных платформах, в том числе и виде нативных приложений. Впрочем, я уже достаточно пел дифирамбы OneNote в своей статье про битву титанов, поэтому повторяться не буду. И поскольку я весьма активный пользователь OneNote, он у меня установлен везде, где только можно, то я столкнулся с проблемой, которую ни коллективный разум, ни служба поддержки Microsoft (доступная через форум, так как продукт бесплатный) решить не смогли.
OneNote может работать в режиме без синхронизации, тогда записные книжки пользователя хранятся только на его компьютере локально. Но вся ценность OneNote в его способности синхронизировать записи записных книжек между устройствами. Происходит данная процедура через синхронизацию файлов записных книжек через облачный сервис Microsoft OneDrive. Облачно хранилище предоставляется на бесплатной основе, достаточно только завести эккаунт у дяди Билла. И именно в него, после каждой перезагрузки OneNote, просил войти еще раз. Для этого необходимо было тяпнуть по раздражающей ссылке вверху первой же страницы записной книжки.
В своей недавней статье я подробно разобрал каким образом можно прошивать программным кодом чипы семейства AVR. Сегодня же я рассмотрю способы, которыми можно прошить чипы семейства STM32. Но, я не буду приводить примеры того, как можно «залить» прошивку в микроконтроллер при помощи шнура от утюга или же варианты сопряжения CentOS установленного на Chromebook и программатора от STMicroelectronics. Пойдем по пути наименьшего сопротивления и используем современный ПК с установленной на него Windows 10 64-х битной редакции. В качестве подопытной, которую будем прошивать, возьмем фирменную плату NUCLEO-F103RB. Плата относится к серии Nucleo-64, хотя сами микроконтроллеры 32-х битные. Вероятно, что цифра 64 используется по количеству выводов чипа микроконтроллера, так как для плат серии Nucleo-64 обычно используются LQFP64 корпуса микросхем.
Тот самый случай, когда за деревьями не видно леса
В платы Nucleo производитель заботливо уместил средство подключения, программирования и отладки, ST-Link. Плата просто подключается USB-кабелем к компьютеру, и если установлены драйвера, то ее можно прошивать новой прошивкой, связаться по последовательному порту и протоколу, а также начать процедуру отладки. И все по одному кабелю. Однако, ST-Link, вместе с USB-портом, выполнены на куске платы, который можно с легкостью удалить, попросту его отломав. Именно так и поступим, дабы приблизить ситуацию к наиболее распространенной, когда у нас нет встроенного программатора. Ведь нам с вами так или иначе приходится сталкиваться с чипами STM32 без каких- либо дополнительных интегрированных инструментов вообще. Но прежде, чем переходить к практике по прошивке необходимо разобраться в теории, точнее в теории управлением чипами семейства STM32.
Вот в старое время, бывало, откроешь текстовой редактор, накидаешь несколько сот строк на ассемблере, откомпилируешь одной программой, затем отлинкуешь другой и все, программа готова. А нынче? А нынче вычислительные мощности подросли настолько, что даже мои часы мощнее компьютера на котором я обучался алгоритмизации. А труд программиста почти не изменился. Разработчики все так же пишут код руками, вводят его в текстовом редакторе, затем компилируют, да линкуют. Только вот со времен Кобола, Алгола, да чистого ассемблера много чего изменилось. Сейчас никому и в голову не придет писать программу на ассемблере даже для микропроцессора. Это не только не эффективно, но и игра не стоит свечей, которые сгорят, пока программист будет выдавливать из себя инструкции для конкретного процессора. «Железо» нынче стоит куда дешевле труда человека.
Вот и появляются на свет разного рода фреймворки для облегчения труда разработчика, ускорения и упрощения написания программ. В среде микроконтроллеров настоящую революцию произвела Arduino. Простейшая среда разработки, с упрощенной библиотекой команд, да инициализацией периферии, спрятанной от разработчика. При помощи Arduino можно написать за минуту простую мигалку светодиодом, а можно потратить куда больше времени и реализовать настоящую прошивку с множеством функций. Только вот в последнем случае использовать простецкую Arduino IDE становится невыносимо трудно. Тут тебе нет отладчика, нет автодополнения, да вообще много чего нет. Возможно, что ввиду отсутствия единой системы разработки для встраиваемых систем и появилась на свет PlatfromIO IDE. Среда позволяющая разрабатывать прошивки для невероятного количества платформ и микропроцессоров со всеми возможными удобствами для разработчика.
PlatformIO поддерживает наверное все популярные платы, какие только могут быть. Поддерживается все это дело частной компанией и многочисленным комьюнити. И действительно, попробовав написать хоть небольшой проект на PlatformIO обратно на Arduino IDE возвращаться уже не захочется. Эффективность написания сложного кода для встроенных систем на PlatformIO, пожалуй, самая высокая, среди всех доступных пользователям средств. Да и IDE, став Open Source и опираясь на такие же продукты, позволяет без опаски и не пиратствуя писать свой код свободно. Прям утопия.
Но есть у всего этого малинового многообразия и отрицательная сторона, чем больше поддерживается плат и микропроцессоров в PlatformIO, тем сложнее и дольше происходит интеграция новых версий всего программного обеспечения. На такую проблему напоролся и я. Возникла необходимость написать прошивку для устройства на чипе STM32F103RE. Чип вполне актуальный, распространен, его поддерживает версия Arduino для архитектуры STM32 (STM32Duino) начиная с версии 1.7.0. Но вот беда. В PlatformIO самой актуальной версии хоть и интегрирована Arduino для STM32 от STM32Duino, но вот сам чип STM32F103RE поддерживается только устаревшей версией Arduino для STM32 (Maple). И использовать STM32Duino с PlatfromIO я не могу, хотя тот же процессор отлично прошивается через Arduino IDE с установленной поддержкой SMT32Duino. Вопиющая несправедливость, с которой следует разобраться.
Звучит сложно? Именно по этой причине, прежде чем приступать к подключению STM32F103RE к Arduino STM32Duino под PlatformIO мне пришлось на протяжении нескольких дней усиленной изучать документацию, исходные коды и сообщения на форумах. Пришлось даже вспоминать как писать на Python.
Несколько лет тому назад я подарил сыну набор «Матрёшка» с электронными компонентами и микроконтроллером Arduino Uno. Набор сопровождался скромным, но толковым учебным пособием, с которым можно не только освоить основы электроники, но и попытаться научиться программировать в среде Arduino. И хотя по первому образованию я радиотехник, а по второму инженер в ИТ, но мне было жутко интересно проходить все уроки «Матрешки» вместе с молодым поколением. Постепенно я втянулся и по дому начали плодиться многочисленные системы «Умного дома», различные датчики, улучшители и все прочее. А затем хобби перекинулось и на профессиональную сферу деятельности. И вот уже по рабочим вопросам начали появляться устройства автоматизации, измерительно-контрольные приборы и прочая уникальная незаменимая электронная утварь.
Но время идет и постепенно проекты начали усложнятся. В скетчах Arduino уже не десятки, а сотни строк. Количество переменных не влезает на один экран, а отсутствие отладчика временами приводит к нервному истощению. И в конце концов, было принято окончательное решение по миграции с Arduino IDE на что-то более удобное в плане разработки. Мой выбор почти сразу пал на PlatformIO IDE, причем перешел я на него только со второй попытки. Первая оказалась неудачной, поковырявшись несколько часов с PlatformIO я пришел к выводу, что в Arduino IDE все делается куда легче и быстрее. Но затем, спустя несколько месяцев я выкроил еще несколько часов своего драгоценнейшего времени для того, чтобы все же разобраться с PlatformIO IDE и постараться понять ее, а затем и полностью перейти на эту интегрированную систему. В качестве альтернативы я рассматривал Atmel Studio 7… Но обо всем по порядку.
Мир «Arduino» чрезвычайно разросся за последние несколько лет. Еще, казалось бы, совсем недавно возможность собрать что-то из цифровой электроники своими руками представлялось фантастической идеей, воплотить которую могут, пожалуй, только гении, то сегодня соединить несколько датчиков между собой и записать программу в микроконтроллер может почти любой с руками растущими чуть выше пояса. В сети полно ресурсов ломящихся от мегабайтов полезных статей о том, как запрограммировать тот или иной алгоритм под Arduino (тут, конечно, стоит понимать, что в экосистему Arduino попадают далеко не только оригинальные платы от итальянцев). А вот если вам захочется копнуть немного дальше и глубже, то вы столкнетесь с информационным вакуумом, отделяющим мир обычных любителей от мира продвинутых электронщиков. И, казалось бы, между этими двумя мирами — настоящая пропасть, перешагнуть через которую отважится не каждый. Но я попробовал, получилось и возникло желание как-то зафиксировать свой опыт, дабы в последствии им можно было бы делиться с окружающими или же вернуться к записи и освежить воспоминания, если вдруг что-то позабылось.
Итак, в качестве хобби я решил разработать для своей компании электронное устройство с «сердцем» в виде микропроцессора ATMEGA328P. Да-да, именно на основе той микросхемы, что применяется в Arduino. Только вот никакой обвязки вокруг микросхемы нет. В ней некуда подключать USB, полностью отсутствует и внешний стабилизатор питания, не говоря уже о каких-либо индикаторных светодиодах. И это чудо как-то нужно программировать, как-то заливать в него свою прошивку, как-то оживлять. Я уделил данному вопросу некоторое внимание в своей статье по детальному анализу среды разработки Arduino «Arduino IDE: разбираемся с меню Tools и некоторыми другими функциями», а в этой статье я лишь продолжу изыскания по своим наработкам.
Интерфейс Atmel Studio с импортированным Blink из Arduino
Прошивать ATMEGA можно при помощи Atmel Studio, специальной среды разработки для AVR. Среда обладает неплохим набором инструментов для полноценной разработки чего-либо под фирменные микроконтроллеры. В 7-й версии «из коробки» доступно создание проектов на С, С++ и на Assembler. Более того, возможно создание проекта из скетча Arduino. При всем при этом у разработчика в руках оказывается отладчик, с возможностью дизассемблирования кода, просмотра всех регистров и любого уголочка памяти микроконтроллера. Прямо-таки золотая мечта любого ардуиниста. А если учесть, что программировать и отлаживать код, в большинстве сценариев, можно на эмуляторе микроконтроллера, то очевидно, что Atmel Studio кроет Arduino IDE с заметными преимуществами. Но… Atmel Studio — профессиональный инструмент и для подавляющего большинства энтузиастов окажется слишком затратным по времени для изучения. Поэтому дальше речь пойдет больше про Arduino IDE в связке с AVRDUDE. Тем не менее, если вы вдруг, после знакомства с Atmel Studio почувствовали нестерпимый зуд от желания познакомиться с этой IDE поближе, то You Are Welcome. А мы же продолжим далее.
Мир DIY на основе экосистемы Arduino цветет и пахнет. Количество плат, совместимых с Arduino становится все больше и больше. Какие-то платы полностью совместимы с Atmel AVR, какие-то имеют существенные отличия. Да и среди микроконтроллеров AVR могут быть значительные несоответствия, которые необходимо учитывать, если требуется написать скетч или библиотеку, которые должны без проблем работать на разных аппаратных платформах.
Различия между микроконтроллерами и платформами обычно заключается в следующих моментах (список далеко не полный):
Конкретные пины у разных микроконтроллеров могут иметь различные функции. К примеру, на одном микроконтроллере пин за номером 1 умеет делать PWM, а на микроконтроллере другого типа нет.
Могут различаться разрядности АЦП (используем для analogRead) и ЦАП (используем для analogWrite, т.е. для ШИМ). На одном микроконтроллере разрядность 8бит (изменение от 0 и до 254), на другом 10бит (измерение от 0 и до 1023), а на третьем 12бит.
Могут кардинально различаться даже способы указания пинов. Так, для Atmel AVR применяется просто числовое указание пинов 1, 2, 3 и т.п. А для экосистемы ESP используется наименование пинов D1, D2, D3 и т.п.
Если вы разрабатываете библиотеку или же скетч, которые должны нормально использоваться на разных платформах или же с разными микроконтроллерами, то имеет смысл данную возможность заложить, благо ее реализация вполне может быть осуществлена через так называемые макросы препроцессора компилятора.
Написать эту статью меня побудил шок от первого знакомства с Node-RED. Я давно уже не работал с продуктами с историей из недр IBM, поэтому как-то поотвык. Все дело в том, что IBM имеет давние традиции по написанию программного обеспечения. Они в стародавние времена, когда основатели Microsoft еще ходили в коротких штанишках, уже пожинали в полном объеме все проблемы, связанные с написанием крупных программных продуктов. Именно там, на вершине IT-прогресса, выкристаллизовывался тот самый подход, который позволил IBM в дальнейшем делать очень интересные программные продукты. Как правило, они отличаются по логике работы и внешнему виду от всего, к чему мы, работая за компьютером, обычно привыкли. Но как только начинаешь понимать логику и процессы работы в продуктах от IBM, то не перестаешь все время задавать себе один и тот же вопрос: «А как же раньше мы без этого работали?» За свою долгую историю «Голубой гигант», как называются компанию в США, прошел путь от табуляторов до одной из богатейших транснациональных компаний в мире. И богатство компании приносит в первую очередь ее интеллектуальная собственность: ноу-хау, патенты и прочее. Из того чем компания занималось особенно запомнилась: OS/360 (потомки этой операционной системы с обратной совместимостью живут и сейчас, а ведь прошло уже более полувека, почти вся история современной вычислительной техники), OS/2 (эта операционная система по сути крутится внутри всех современных Windows), Visual Age (интегрированные среды разработки с существенной визуальной составляющей).
