Raspberry Pi Pico — Arduino на стероидах | Новейшие достижения науки в области, информационных технологий

Цена: €4,13 плюс доставка €0,61

Во времена моей молодости говорили — легко, как два байта переслать. Другие — чуть по-другому — легко, как два пальца об асфальт, подозревая под этим нечто третье.

Не так давно Raspberry Pi Foundation выкатил собственный микроконтроллер, за рекордно низкую по нынешним временам цену для устройства с такими параметрами — сама микросхема стоит 1 доллар. Сейчас мы будем разбираться, легко ли в этом микроконтроллере два байта переслать.

Настоящие специалисты, которые в комментариях уже не раз меня называли ардуинщиком-недоучкой, в этом опусе вряд ли найдут что-то полезное, а остальные — добро пожаловать.

В начале ~~было слово~~ была платка от Raspberry на базе этого микроконтроллера под названием Raspberry Pi Pico, на котором были только сам микроконтроллер, 2 мегабайта флеш-памяти, светодиод, кварц, микро USB разъем и кнопка перехода в режим загрузки. И все это с объявленной ценой без налогов и пересылки в 4 USD.

Потом поперло — таких платок разного вида просто понесло потоком — и уменьшенных размеров, и с кучей разной периферии. Очевидно, очень скоро этот микроконтроллер заинтересовал ардуинщиков и его поддержка была включена в длинный список поддерживаемых микроконтроллеров.

Теперь лирическое отступление.

Для начала, что за мелкоконтроллер на платке?

Обозвали его RP2040, что по мнению Raspberry Pi Foundation, обозначает:

RP: Raspberry Pi
2: два ядра
0: ядра M0+
4: минимум 256 КБ памяти
0: нет встроенной флеш-памяти

Что мы имеем внурях:

Два ядра Arm Cortex-M0+ @ 133 МГц
264 КБ памяти (на самом деле 284 КБ, но часть используется для кеширования и USB)
Поддержка до 16МБ внешней флеш-памяти с QSPI интерфейсом, реально на платке запаяно 2МБ
DMA контроллер
4 x 12-разрядных аналоговых входа (на Pico доступно для пользователя 3 из них)
2 × UART
2 × SPI
2 × I2C
16 × PWM каналов
Встроенный сенсор температуры
Всего 30 GPIO пинов
USB 1.1 контроллер с поддержкой хоста
2 × PIO блока для своих собственных интерфейсов
2 x PLL (один для USB, второй для остального)
Поддержка UF2 для загрузки программ
Поддержка SWD для загрузки и отладки
Поддержка спящих режимов и пониженной частоты для снижения потребления

В списке отсутствует еще один вид памяти — 16МБ, масочная или однократная — не знаю. Там хранится программное обеспечение USB, загрузчики и библиотека для работы с плавающей запятой.

Откуда надерганы IP (Intellectual property — так в мире проектирования микросхем так называют готовые блоки-библиотеки)

ARM Limited (M0+, UART, SPI)
Synopsys, Inc. (I2C, SSI)
Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited (TSMC) (standard cells, memories)
Dolphin Design SAS (Voltage Regulator, Power-on Reset/Brown-out Detector)
Aragio Solutions (GPIO and Crystal Pad library)
Silicon Creations (PLL)
GF Micro (ADC, TS, USB PHY)

С таймерами, на первый взгляд, большая напряженка — единственные таймер общего назначения с очень маленьким набором функций. Впридачу к нему имеются WDT и RTC.

Но это только на первый взгляд — 16 PWM, собственные таймеры у контроллера DMA и программируемые машины состояний меняют дело кардинально.

Микропроцессор, на самом деле, очень необычен именно в плане периферии. Главная фишка — это блоки программируемого ввода вывода, PIO, каждый из которых содержит 4 машины состояний 8 32-разрядных FIFO регистров, память программ. Каждый из таких блоков программируется на собственном ассемблере. С помощью PIO вы можете добавить недостающий интерфейс или сделать совершенно новый — например, аппаратный интерфейс для WS8212 или что вам в голову придет.

Меня терзают смутные сомнения, что часть аппаратных интерфейсов этого микропроцессора именно так и сделаны — абсолютно такие же PIO, только вместо памяти программ с возможностью записи, там применена масочная память. Или OTP, которая позволяет менять конфигурацию микропроцессора уже на существующем кремнии.

При таком подходе разработка сильно упрощается. И я подозреваю, что, в основном, все было разработано одним человеком в течении примерно года.

Товарищ Сталин говорил — «У каждой ошибки есть имя и фамилия»

Речь не об ошибке, но тем не менее фамилия быть должна. К сожалению, не нашел. Но, скорее всего, зовут его Graham. И проектировал он на Verilog. У меня есть один знакомый — бывший коллега, который такую вещь вполне мог бы спроектировать за несколько месяцев, но это явно не он.

Небольшую статейку от человека, который вертелся рядом с разработчиком, можно найти здесь.

Он пишет, что проектирование начали в середине 2017 года. Процессор поступил в продажу в начале 2021 года. Год-полтора, наверно, ушло на запуск производства и тестирование. Значит, на проектирование ушло еще полтора-два года. Если, конечно, кремний пошел с первой попытки.

Если кому интересно, можно посмотреть картину по слоям, как делают транзистор

Вы все поняли и решили, что вы будете первым, кто сделает микросхему на кухне? К сожаление, вы опоздали, такой деятель уже нашелся, вы будете не первым 🙂

Но еще можете свой процессор слепить, вот RP2040. Как видите, все очень просто, большую часть площади занимает RAM.

Здесь можно посмотреть картинку получше.

По словам руководства Raspberry Pi, выход годных микроконтроллеров с пластины около 20 000 штук. Пластина по 40-нм технологии в TSMC стоит около 2300 долларов. Партия, очевидно, не одна штука.

Можете считать барыши 🙂 Но не забудьте прибавить стоимость тестирования, резки, корпусирования. А еще за подготовку к производству надо заплатить и разработчики тоже кушать хотят.

Ну ладно, с присказкой закончим.

При первом включении плата распознается, как USB диск, для того, чтобы запустить свою программу, достаточно скомпилированный файл в формате uf2 закинуть на этот диск, выполнение начнется немедленно.

При последующих включениях будет запущена именно эта программа. Чтобы загрузить новую программу, нужно перейти в режим загрузки снова, для этого нужно отключить плату от USB, зажать кнопку BOOTSEL, подключить платку к USB и затем отпустить кнопку. Процедура нудная, и разъем недолго продюжит, если вы отлаживаете свою программу.

На этом сайте вы найдете программу, которая приводит все в привычное для ардуино представление — достаточно загрузить программу один раз. После этого среда ардуино уже будет компилировать вашу программу в в формате uf2, загрузчик будет переводить плату в режим mass storage device и закидывать ваш файл на образовавшуюся флешку. Ваша программа сразу получит управление — никаких лишних телодвижений, все очень привычно.

Мне удавалось несколько раз убить загрузчик — но ничего страшного, опять переходим в режим загрузки и закидываем файл и продолжаем, как ни в чем не бывало.

Если что-то сильно накосячили и ничего и никак не работает (но BOOTSEL работает) — нужно загрузить файл flash_nuke.uf2 который вычистит флеш и вернет все в первоначальное состояние. SWD мы не будем обсуждать во избежания лишнего усложнения.

Я не ортодоксальный ардуинщик, поэтому предпочитаю использовать PlatformIO. Если честно, я никогда не использовал Arduino IDE для разработки своих программ, только загрузить что-то готовое. Кто пытался написать что-то более-менее сложное в Arduino IDE понимает, что это разновидность мазохизма. Хотя версия IDE 2.х выглядит уже гораздо лучше и похоже на настоящий редактор. Даже отладку позволяет — конечно, для тех контроллеров, где это предусмотрено.

Платка получена, подпаиваем к ней гребенку выводов и кнопку аппаратного сброса — ну что эта за адруина и чтобы без кнопки сброса?

Для начала просто их примеров загружаем blink — светодиод на плате мигает. Удивительно, но факт.

Теперь бы пару байтов на выход переслать. И вот тут — засада. У большинства процессоров — это самая простая операция, что можно придумать. А тут управление заточено на управления битами. Каждый бит обслуживается 2 регистрами по 32 бита. 64 бита на одну ножку, Карл! И это еще далеко не все, прерывания — это отдельная песня, в итоге — читать документацию вспотеешь. Если еще учесть, что она сырая и что-то понять и найти концы очень сложно.

В итоге все-таки находится регистр, который можно зацепить к выводам и переслать нашу пару байтов.

Но выглядит это так:

Код



void setup() 

{

  for (uint8_t pin = 0; pin < 16; pin++) 

  {

    uint32_t *PIN_CTRL_REG = (uint32_t*)IO_BANK0_BASE + pin * 2 + 1;

    *PIN_CTRL_REG = 5; // 5 = SIO function

  }

  sio_hw->gpio_oe = 0xFFFF;

  sio_hw->gpio_out = 0x05555;

}

void loop() 

{

  sleep_us(1);

  sio_hw->gpio_togl = 0xFFFF;

}

sio_hw->gpio_togl — это не регистр вывод, а исключающее или, полезная штука.

Все, кушать подано, садитесь жрать, пожалуйста.

А теперь бы все это сделать побыстрее — выбросить из памяти прямо на выход, используя прямой доступ в память. Надо с DMA разбираться, однако. Для начала упрощенный вариант — из памяти в память.

Разобраться с регистрами позднее будем, а пока вызываем функции богомерзких библиотек

Код



#include <Arduino.h>

#include "hardware/dma.h"

#define LED_BUILTIN 25

const char src[] = "Hello, world! (from DMA)";

char dst[count_of(src)];



void hello_dma(void)

{

  // Get a free channel, panic() if there are none

  int chan = dma_claim_unused_channel(true);

  dma_channel_config c = dma_channel_get_default_config(chan);

  channel_config_set_transfer_data_size(&c, DMA_SIZE_8);

  channel_config_set_read_increment(&c, true);

  channel_config_set_write_increment(&c, true);

  dma_channel_configure(

      chan,          // Channel to be configured

      &c,            // The configuration we just created

      dst,           // The initial write address

      src,           // The initial read address

      count_of(src), // Number of transfers; in this case each is 1 byte.

      true           // Start immediately.

  );

}

void setup() 

{

  Serial.begin(115200);

  while (!Serial);  

  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);

  hello_dma();

  dma_channel_wait_for_finish_blocking(chan);

  Serial.print(src);

  Serial.print(" -> ");

  Serial.println(dst);

}

void loop() 

{

  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);   

  delay(500);                      

  digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);    

  delay(500);    

}

Все работает и копируется. Дело за малым — в качестве места, куда данные копируются, нужно определить, как регистр sio_hw→gpio_out

Ну, размечтался! А накусь выкусь!

Оказывается, в этот регистр DMA просто не умеет писать!

А что делать? Raspberry рекомендует написать программку буквально из одной строчки для программируемого ввода-вывода, писать свои данные в него, а так программа уже все сама передаст на выход.

The CortexM0+ SIO address space is not accessible from the bus matrix and thus you can’t DMA to it.

If you want to DMA to the pins, then make a one line PIO program that outputs data to the pins, and DMA to the PIO SM.

Вот это номер, особенно учитывая, что разобраться с программированием этого ввода-вывода не так просто — документация не самая лучшая. К одном месте кто-то обращался в поддержке — дескать, в вашей документации заявлена поддержка последовательных интерфейсов. А пример можно? Ответ был каким-то не очень дружелюбным — отойди, мальчик, не мешай работать. Как руки дойдут — так и сделаем.

Встроенной в ардуино поддержки ассемблера пока нет (для Python — есть). Но есть исходный код ассемблера с SDK

Чай не баре — берите, компилируйте и пользуйтесь на доброе здоровье.

Для совсем ленивых — нашелся добрый человек, сделал онлайн компилятор.

Начнем разбираться — собственно, на этом я собираюсь и закончить с обзором программного обеспечения. Пример выдран отсюда, все лишнее выброшено, осталась только суть

Итак, пишем (только не спрашивайте, что это значит) 🙂

Это наш ws8212_single.pio файл, этот текст просто в левую часть онлайн компилятора вставить надо

ws8212_single.pio

Код

.program ws2812

.side_set 1

.define public T1 2

.define public T2 5

.define public T3 3

.lang_opt python sideset_init = pico.PIO.OUT_HIGH

.lang_opt python out_init     = pico.PIO.OUT_HIGH

.lang_opt python out_shiftdir = 1

.wrap_target

bitloop:

    out x, 1       side 0 [T3 - 1] ; Side-set still takes place when instruction stalls

    jmp !x do_zero side 1 [T1 - 1] ; Branch on the bit we shifted out. Positive pulse

do_one:

    jmp  bitloop   side 1 [T2 - 1] ; Continue driving high, for a long pulse

do_zero:

    nop            side 0 [T2 - 1] ; Or drive low, for a short pulse

.wrap

% c-sdk {

#include "hardware/clocks.h"

static inline void ws2812_program_init(PIO pio, uint sm, uint offset, uint pin, float freq, bool rgbw) {

    pio_gpio_init(pio, pin);

    pio_sm_set_consecutive_pindirs(pio, sm, pin, 1, true);

    pio_sm_config c = ws2812_program_get_default_config(offset);

    sm_config_set_sideset_pins(&c, pin);

    sm_config_set_out_shift(&c, false, true, rgbw ? 32 : 24);

    sm_config_set_fifo_join(&c, PIO_FIFO_JOIN_TX);

    int cycles_per_bit = ws2812_T1 + ws2812_T2 + ws2812_T3;

    float div = clock_get_hz(clk_sys) / (freq * cycles_per_bit);

    sm_config_set_clkdiv(&c, div);

    pio_sm_init(pio, sm, offset, &c);

    pio_sm_set_enabled(pio, sm, true);

}

%}

То, что появится в правой части, нужно скопировать и вставить в свой файл ws2812.pio.h в ту же папку, где исходник теста

ws2812.pio.h

Код



// -------------------------------------------------- //

// This file is autogenerated by pioasm; do not edit! //

// -------------------------------------------------- //

#pragma once

#if !PICO_NO_HARDWARE

#include "hardware/pio.h"

#endif

// ------ //

// ws2812 //

// ------ //

#define ws2812_wrap_target 0

#define ws2812_wrap 3

#define ws2812_T1 2

#define ws2812_T2 5

#define ws2812_T3 3

static const uint16_t ws2812_program_instructions[] = {

            //     .wrap_target

    0x6221, //  0: out    x, 1            side 0 [2] 

    0x1123, //  1: jmp    !x, 3           side 1 [1] 

    0x1400, //  2: jmp    0               side 1 [4] 

    0xa442, //  3: nop                    side 0 [4] 

            //     .wrap

};

#if !PICO_NO_HARDWARE

static const struct pio_program ws2812_program = {

    .instructions = ws2812_program_instructions,

    .length = 4,

    .origin = -1,

};

static inline pio_sm_config ws2812_program_get_default_config(uint offset) {

    pio_sm_config c = pio_get_default_sm_config();

    sm_config_set_wrap(&c, offset + ws2812_wrap_target, offset + ws2812_wrap);

    sm_config_set_sideset(&c, 1, false, false);

    return c;

}

#include "hardware/clocks.h"

static inline void ws2812_program_init(PIO pio, uint sm, uint offset, uint pin, float freq, bool rgbw) {

    pio_gpio_init(pio, pin);

    pio_sm_set_consecutive_pindirs(pio, sm, pin, 1, true);

    pio_sm_config c = ws2812_program_get_default_config(offset);

    sm_config_set_sideset_pins(&c, pin);

    sm_config_set_out_shift(&c, false, true, rgbw ? 32 : 24);

    sm_config_set_fifo_join(&c, PIO_FIFO_JOIN_TX);

    int cycles_per_bit = ws2812_T1 + ws2812_T2 + ws2812_T3;

    float div = clock_get_hz(clk_sys) / (freq * cycles_per_bit);

    sm_config_set_clkdiv(&c, div);

    pio_sm_init(pio, sm, offset, &c);

    pio_sm_set_enabled(pio, sm, true);

}



#endif

И сам тест остался

Код

#include "ws2812.pio.h"

#define WS2812_PIN 0

#define IS_RGBW false

static inline void put_pixel(uint32_t pixel_grb) 

{

  pio_sm_put_blocking(pio0, 0, pixel_grb << 8u);

}



void setup() 

{

  PIO pio = pio0;

  int sm = 0;

  uint offset = pio_add_program(pio, &ws2812_program);

  ws2812_program_init(pio, sm, offset, WS2812_PIN, 800000, IS_RGBW);

}

void loop() 

{

  //for (uint i = 0; i < 3; ++i)

    put_pixel(0xff00AA);

  sleep_ms(10);

}

Ну и любуемся на картинку — можно подключать адресуемые светодиоды.

Как заключение: если вам достаточно обычного ардуино и не возникает желания делать чего-то более сложного, то Raspberry Pi Pico можно использовать прямо сейчас.

Если хочется странного — то лучше пока воздержаться, пока документация будет доведена до кондиции и примеров на все случаи жизни будет больше.

А продавец — молодец, как в Али в комментариях обычно пишут.

Но если честно — посылка из Китая еще не дошла, через несколько дней, после того, как я заказал платку на Али, я разместил заказ еще в одном магазине, и через несколько дней он уже у меня был. Ну очень любопытно было, а ждать не хотелось.