Embedded Systems II (WS20/21)

1   7.10., Vorbesprechung

7.10.2020, 14 Uhr

• Ziele

  • Mikrocontroller in C programmieren
  • Wie läuft ein C Programm auf unterster Ebene ab? (Zusammenhänge klar machen)
  • Elementares Debuggen eines C Programms mit GDB (Link)
  • Verwendung eines Logikanalysators (Saleae Logic https://www.saleae.com)
  • Exceptions und Interrupts
  • Programmieren mit Bibliotheken (CMSIS und Cube)
  • Umlenken der Ein-/Ausgabe
  • Quasi-parallele Programmierung mit RTOS (FreeRTOS)
  • Low-power Programmierung

• Skript (leider nicht vollständig) http://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/es2/skript

• Arbeitsumgebung

  • Linux, Kommandozeile, freie Werkzeuge
  • Virtuelle Maschine http://ti-wiki.informatik.hs-augsburg.de/doku.php?id=rt-labor_rtvm
  • estool - Hilfsprogramm zum Flashen, Debuggen, ... https://r-n-d.informatik.hs-augsburg.de:8080/hubert.hoegl/estool

• Experimentierboard "Nucleo STM32L476" https://www.st.com/en/evaluation-tools/nucleo-l476rg.html

  • ARM Cortex M4
  • Bild: http://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/es2/img/NUCLEO-L476RG.webp
  • Preis nur ca. 12 Euro

• "Board Server" (wg. Covid-19), vier Nucleo Boards hängen mit allen Schnittstellen an einem Server an der Hochschule. Einloggen per ssh, Board reservieren - arbeiten - freigeben. Man kann einige Pins lesen, setzen, sowie mit einem Logikanalysator betrachten (Saleae Logic). Die Bedienung erfolgt über das "estool".

  http://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/es2/img/rtlab-remote-kaefig.jpg

  Nucleo Board und ESP8266 (ERC - Embedded Remote Controller) http://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/es2/img/rtlab-remote-erc.jpg

• Praktikum

  • Teamarbeit

  • 6 Versuche (auch im gitlab, z.B. https://r-n-d.informatik.hs-augsburg.de:8080/es2/v1)

  • Alle zwei Wochen ein Versuch. Vorbereitung und Nachbereitung nötig.

  • Berichte mit Sphinx schreiben. Abgabe mit Code in Gitlab.

    Sphinx Vorlage: https://r-n-d.informatik.hs-augsburg.de:8080/es2/ws2020_21/team_demo

  • Wegen Covid-19 können wir nicht wie gewohnt im Labor G2.16 arbeiten. Maximal 7 Personen plus 2 Betreuer.

    Hoffnung: Manche Experimente aus der Ferne mit dem Board-Server machen. Möglich wäre auch, dass nur ein Team-Mitglied im Labor ist, und die anderen über Video teilnehmen.

• Gitlab Repositories

  • Ausarbeitung jedes Teams (Bericht, Bilder, Videos, Code, ...)

    https://r-n-d.informatik.hs-augsburg.de:8080/es2/ws2020_21/

  • Issues

  • Beispielprogramm, z.B. "starter"

    https://r-n-d.informatik.hs-augsburg.de:8080/es2/es2-nucl476/starter

• Lesestoff

  • Joseph Yiu, The Definitive Guide to ARM® Cortex®-M3 and Cortex®-M4 Processors, 3rd Edition, Newnes 2013. https://learning.oreilly.com/library/view/the-definitive-guide/9780124080829/

• Hausaufgabe bis 14.10.

  • Rechner/Notebook für Linux startklar machen. Z.B. obige virtuelle Maschine installieren.
  • Einarbeiten in Sphinx
  • Einarbeiten in Gitlab (https://r-n-d.informatik.hs-augsburg.de)
  • Öffentlichen ssh Schlüssel in Gitlab anlegen: http://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/hhwiki/GitSpicker#git-im-www-gitlab
  • Sphinx Demobericht klonen, kompilieren nach HTML, lesen https://r-n-d.informatik.hs-augsburg.de:8080/hubert.hoegl/sphinxbericht http://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/dva/sphinxbericht
  • Die Sphinx Vorlage "team_demo" für Ihr Team anpassen und in das Team Repository aufnehmen.

2   14.10., 14 Uhr

• "RTLAB-Remote" EmbeddedSystemsAnleitungen

• Beispiel "starter": https://r-n-d.informatik.hs-augsburg.de:8080/es2/v1

• Hausaufgaben

  • Im Buch von Yiu das Kapitel 19 lesen (Getting Started with the GNU Compiler Collection).

    https://learning.oreilly.com/library/view/the-definitive-guide/9780124080829/xhtml/CHP017.html#CHP017tit

    oder hier: http://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/es2/gnu/DGCM3-2e-ch19.pdf

  • Heutige Vorfuehrung nachvollziehen und in Bericht aufnehmen (siehe EmbeddedSystemsAnleitungen, Abschnitt "RTLab-Remote")

  • Versuch/Aufgabe 1: https://r-n-d.informatik.hs-augsburg.de:8080/es2/v1

    Aufgabenteile 1.1 und 1.2 bearbeiten, auch in Bericht aufnehmen!

    Die Beispielprogramme darin (blinky, startupcode und serial) haben noch Zeit!

3   21.10., 14 Uhr

• Ausführliche Besprechung des "starter" Beispiels und der drei Programme von Versuch/Aufgabe 1. Siehe das Vorlesungs-Video es2-21-oct-20.mp4 unter http://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/video.

  Als Hausaufgabe ist die Aufgabe 1 bis 28.10 auf.

4   28.10., 14 Uhr

• Die zweite Aufgabe besteht aus drei Teilen:

  1. https://r-n-d.informatik.hs-augsburg.de:8080/es2/es2-nucl476/starter-cmsis

  2. https://r-n-d.informatik.hs-augsburg.de:8080/es2/es2-nucl476/syshandler-cmsis

  3. https://r-n-d.informatik.hs-augsburg.de:8080/es2/es2-nucl476/gpio-intr-cmsis

  In jedem Teil ist ein Aufgabentext mit dem Dateinamen Aufgaben.rst.

  Beim Versuch gpio-intr-cmsis muss man den User-Button B1 auf dem Nucleo Board drücken. Wenn man den Versuch auf dem RTlab-Remote Server macht, dann sieht man hier, wie die Ansteuerung des Nucleo-Boards mit dem ERC gemacht wurde:

  http://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/es2/stm32l4/rtlab-remote-nucleo-signals.svg

5   4.11., 14 Uhr

• Aufgabe 1 ist bei den meisten fertiggestellt.

• Aufgabe 2 ist bis naechste Woche (11.11.) auf.

• Lesestoff:

  • STM32 Exception Processing stm32_exc_prog.svg | stm32_exc_prog.pdf

  • Hervorragender Artikel von I.C. Bertolotti zum Cortex-M Exception Handling (10 Seiten, nicht Pflicht, aber wer es genauer wissen mag, sollte ihn lesen) http://hhoegl.informatik.hs- augsburg.de/es2/exceptions/bertolotti/

  • Yiu, Kap. 2 (Introduction to Embedded Software Development)

    https://learning.oreilly.com/library/view/the-definitive-guide/9780124080829/xhtml/CHP002.html

6   11.11., 14 Uhr

TODO: V2 heute zu Ende bringen und den Bericht updaten.

Die Aufgabe 3 beschäftigt sich mit der ST Micro "Cube" Bibliothek an Hand der zwei Beispiele GPIO_IO_TOGGLE und GPIO_EXTI. Beide Verzeichnisse sind im Repository

https://r-n-d.informatik.hs-augsburg.de:8080/es2/es2-nucl476/cube-demos

enthalten. Die Aufgaben finden Sie jeweils in der README.md.

Damit man diese Beispiele kompilieren kann, muss die Cube Bibliothek installiert sein. Auf dem RTLab-Remote Server ist das in /opt/stm32cubel4/.

Wichtig ist, dass Sie die Umgebungsvariable CUBE_HOME auf das Cube Installationsverzeichnis setzen. Nehmen Sie dazu auf dem RTLab-Remote Server in ~/.profile noch die Zeile

export CUBE_HOME=/opt/stm32cubel4

Danach müssen Sie die Datei neu einlesen mit source ~/.profile.

In der virtuellen Maschine (Xubuntu) finden Sie die Cube Bibliothek an der Stelle /opt/rtlab/share/stm32cubel4. Prüfen Sie auch hier den korrekten Wert von CUBE_HOME. Wie die Installation erfolgte, entnehmen Sie dem Text http://ti-wiki.informatik.hs-augsburg.de/doku.php?id=rt-labor_rtvm (nur mit VPN Verbindung).

7   18.11., 14 Uhr

Zur Aufzeichnung: http://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/video/

8   25.11., 14 Uhr

Motivation zur quasi-parallelen Programmierung

• https://r-n-d.informatik.hs-augsburg.de:8080/es2-nucl476/taskswitch
• https://r-n-d.informatik.hs-augsburg.de:8080/es2-nucl476/shared-data-problem

Aufgabe 4

Zur Aufzeichnung: http://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/video/

9   2.12., 14 Uhr

Erläuterungen zur den FreeRTOS Aufgaben.

Zur Aufzeichnung: http://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/video/

10   9.12, 14 Uhr

Umlenken der Ein- und Ausgabe auf den UART ("retargeting").

Aufgabe 5: https://r-n-d.informatik.hs-augsburg.de:8080/es2/es2-nucl476/retarget

Der Aufgabentext ist im Repository enthalten. Es gibt ein paar Tipps zur Lösung.

Zur Aufzeichnung: http://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/video/

Abgespeicherte Zeichnungen: http://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/video/zoom-201209

11   16.12.

Vorlesung: Low-power Programmierung

Beispielprogramme:

• https://r-n-d.informatik.hs-augsburg.de:8080/es2-nucl476/cube-demos/tree/master/PWR_ModesSelection
• https://r-n-d.informatik.hs-augsburg.de:8080/es2/es2-nucl476/cube-demos/-/tree/master/FreeRTOS_LowPower

Lit.:

• http://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/es2/prog/keil_grobe_energyeff.pdf (S. 1-9)
• Elecia White, Making Embedded Systems, chap. 10 "Reducing Power Consumption" (siehe Literaturangaben im Skript)
• STM32L4 ultra-low-power features overview (AN4621), 2017
• STM32L4 Reference Manual, chap. 5.3 "Low-power modes"

Aufgaben:

• Falls Sie ein Multimeter zu Hause haben, dann finden Sie heraus, welche Auflösung dessen kleinster Strommessbereich (Gleichstrom) hat.

• Bestimmen Sie die Stromstärken für die LED-Ein und LED-Aus Zustände aus dem Oszilloskop-Bild im Skript, Abschnitt 6.10 ("Praktische Strommessung")

• Beim Beispiel "PWR_ModesSelection" kann man folgende Stromaufnahmen messen:

  http://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/es2/Stromaufnahmen.txt

12   Zum Nachschlagen

• Alle relevanten Handbücher/Manuals/Datenblätter sind hier: EmbeddedSystemsDocs

• Zum GDB

  • GDB Quickref quickref.txt, quickref.pdf
  • GNU Debugger Text User Interface main.svg | main.pdf
  • GDB Anleitung/Übung https://r-n-d.informatik.hs-augsburg.de:8080/es2/es2-nucl476/gdb-uebung (siehe Aufgaben.rst)

• Info zu tmux

  • Eine Seite mit den wichtigsten Kommandos http://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/pub/tmux/tmux-quickref/tmux-quickref.pdf
  • Guter Artikel vom Linux Journal (2016) http://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/pub/tmux/tmux-lj-3-2016.pdf
  • http://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/hhwiki/tmux

• Info zu Vim

  • http://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/pub/vim/vim-quickref/vim-quickref.pdf

• Asciinema Casts

  • http://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/es2/sphinx-asciinema/_build/html/main.html

• Git Spicker http://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/hhwiki/GitSpicker

• FreeRTOS

  • Buch von Richard Barry, dem Autor von FreeRTOS (jetzt a:FreeRTOS, "a" fuer Amazon): Mastering the FreeRTOS™ Real Time Kernel, 399 Seiten, 2016.

    https://www.freertos.org/Documentation/RTOS_book.html

    Vom gleichen Autor gibt es online auch ein Tutorial:

    Real Time Application Design Tutorial - Using FreeRTOS in small embedded systems https://www.freertos.org/tutorial/

    RTOS Konzepte: https://www.freertos.org/implementation/main.html

  • UM1722 - Developing Applications on STM32Cube with RTOS (2014, 26 Seiten)

    http://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/es2/stm32l4/Manuals/DM00105262.pdf

  • Yiu, Kap. 19 http://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/es2/prog/rtos/yiu-3e-ch19.pdf

  • Constantin Gonzalez, Mit Microcontrollern in die Cloud, Elektronik 24/2018 (4 Seiten). http://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/es2/prog/rtos/aFreeRTOS-Elektronik-24-2018.pdf

• Alte Klausuren: http://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/es2/Klausuren/