サイプレスUDBマイクロコントローラーPSoCを介したRGB LEDの制御

はじめに

サイプレスPSoCコントローラーでUDBブロックをプログラミングする技術を長年学びたかったのですが、どういうわけか私の手が届きませんでした。 そのため、これを実行できる問題がありました。 ネットワークの資料を理解すると、UDBを使用するための実際的な推奨事項は、さまざまな種類のカウンターとPWMに限定されることに気付きました。 何らかの理由で、すべての著者がこれらの2つの標準的な例のバリエーションを作成しているため、他の何かの説明は読者にとって興味深いものになるでしょう。

だから。 RGB LED WS2812Bの長い列を動的に制御する問題がありました。 この問題に対する古典的なアプローチは知られています。 簡単なArduinoを使用できますが、出力はプログラムで行われるため、データが出力されている間、他のすべてはアイドル状態になります。そうでない場合、タイミング図は失敗します。 STM32を使用して、PWMのDMAまたはSPIのDMAを介してデータを出力できます。 テクニックは知られています。 私は、かつて個人的にSPIを介して16個のダイオードのラインをすでに制御していました。 しかし、オーバーヘッドは大きいです。 LEDの1データビットは、PWMの場合はメモリの8ビットを占有し、SPIの場合は3〜4ビット（コントローラのPLLの冷却度による）を占有します。 LEDはほとんどありませんが、これは恐ろしいことではありませんが、たとえば数百、200 * 24 = 4800ビット= 600バイトの有用なデータが、PWMオプションの場合は4キロバイト以上、SPI-の場合は2キロバイト以上のバッファーに物理的に保存する必要がありますオプション。 バッファの動的な表示にはいくつかあり、STM32F103には20キロバイトすべてのRAMがあります。 実現不可能なタスクに遭遇したわけではありませんが、これを追加のRAMを消費することなくPSoCに実装できるかどうかを確認する理由は非常に重要です。

理論リファレンス

最初に、動物のUDBの種類と、それがどのように機能するかを理解しましょう。 これには、コントローラーの製造元から提供されたすばらしい説明映画が役立ちます。

ここから視聴を開始する必要があります。各ビデオの最後に、次のシリーズへのリンクがあります。 段階的に、基本的な知識を習得し、標準的な例「カウンター」を検討します。 さて、交通信号制御システム。

ほぼ同じですが、小片にカットして、 ここで見ることができます 。 ビデオは再生されませんでしたが、ダウンロードしてローカルで表示できます。 とりわけ、PWMの実装の標準的な例もあります。

既製のソリューションを見つける

車輪を再発明しないように（そしてその逆-他の人の経験から方法論を学ぶために）、RGB LEDを制御する既製のソリューションを探してネットを検索しました。 最も一般的なソリューションはStripLightLib.cylibです。 しかし、彼は長年にわたって、Add DMAサポートを追加する計画を持っています。 しかし、中央処理装置に依存しないソリューションを試してみたいと思います。 次のフレームの準備に焦点を合わせて、プロセスを開始し、それを忘れたいです。

私の希望に合ったソリューションはhttps://github.com/PolyVinalDistillate/PSoC_DMA_NeoPixelで見つかりました。

すべてがUDBに実装されています（LEDは単なる言い訳です。目標はUDBを学ぶことです）。 DMAがサポートされています。 そしてそこのプロジェクトは明らかに美しく組織されています。

基礎として選ばれた解決策の問題

プロジェクトPSoC_DMA_NeoPixelの「ファームウェア」はどうですか。この記事を読んだ後は誰でも見ることができます。 これにより素材が修正されます。 これまでのところ、私は最初に、消費されるリソースを減らすことなく元のファームウェアのロジックを単純化したとだけ言います（しかし、理解しやすくなりました）。 その後、彼はオートマトンロジックを置き換える実験を開始しました。これはリソースの増加を約束しましたが、深刻な問題にぶつかりました。 そして、彼は決めました-それは排除されません！ そして漠然とした疑念が私を苦しめ始めました。英語の著者も同じ問題を抱えていましたか？ 彼のデモはLEDで非常に美しく点滅します。 しかし、美しい詰め物を「すべてのユニット」に置き換えて、目ではなくオシロスコープで出力を制御するとどうなりますか？
そのため、可能な限り大雑把に（「残酷に」と言うこともできます）データを形成します。

memset (pPixelArray,0xff,sizeof(pPixelArray)); //Call NeoPixel update function (non blocking) to trigger DMA pixel update NP_Update(); 

そして、ここにオシロスコープでそのような写真があります：



最初のビットの幅は、他のビットとは異なります。 私はすべての部隊を送るように頼んだが、すべてを残すわけではない。 そのうちゼロになりました！ スキャンを変更します。



幅は8ビットごとに異なります。

一般に、独立したソリューションとしてのこの例は適切ではありませんが、インスピレーションの源として-完璧です。 第一に、その動作不能は目では見えません（LEDはまだ明るく、目はそれらが最大の半分で輝くことを見ません）が、コードはよく構造化されているので、それを基礎として取るのは良いことです。 第二に、この例は単純化する方法を見つけるためのスペースを提供し、第三に、欠陥を修正する方法を考えさせます。 まさに物事を理解することです！ もう一度、記事を読んだ後、元の例を解析し、その仕組みを理解することをお勧めします。

実用部

今、私たちは練習を始めます。 UDBのファームウェア開発の主な側面をテストしています。 関係と基本的なテクニックを考慮してください。 これを行うには、プロジェクトの私のバージョンを開きます。 左側のブロックには、作業ファイルに関する情報が保存されます。 デフォルトでは、「 ソース」タブが開いています。 プロジェクトの主なソースはmain.cファイルです。 実際、 ソースファイルグループには他の作業ファイルはありません。



生成されたソースグループには、ライブラリ関数が含まれています。 編集しない方がいいです。 UDBの「ファームウェア」が変更されるたびに、このグループが再生成されます。 では、この田園地帯のUDBのコードの説明はどこにありますか？ 表示するには、[ コンポーネント ]タブに切り替える必要があります。



元のプロジェクトの作成者は、2レベルのコンポーネントセットを作成しました。 最上位にはNeoPixel_v1_2.cysch回路があります。 これはメインスキームから見ることができます：



コンポーネントは次のとおりです。



このスキームのソフトウェアサポートについては、後で説明します。 それまでの間、それ自体が通常のDMAユニットであり、特定のシンボルNeoPixDrv_v1であることがわかります。 この神秘的なブロックは、上記のツリーで説明されており、次のツールチップから続きます。

「ファームウェア」UDB

そのコンポーネント（拡張子.cyudbのファイル）を開きます。 開いた図面は単純に巨大です。 何が何なのか理解し始めます。



元のプロジェクトの作成者とは異なり、3つの等しい（時間的に）部分の形式でデータの各ビットを送信することを検討します。

1. 開始部分（常に1）
2. データ部
3. 停止部分（常に0）

このアプローチでは、多数のカウンターは必要ありません（元々は3つのピースがあり、大量のリソースを消費していました）。 すべての部分の持続時間は同じであり、1つのレジスタを使用して設定できます。 したがって、ファームウェアの遷移グラフには次の状態が含まれます。

アイドル状態。 新しいデータがFIFOに到着するまで、マシンはその中に残ります。



トレーニングビデオから、マシンの状態がALUとどのように関連しているかは完全にはわかりませんでした。 著者はもちろんコミュニケーションを使用していますが、私は初心者としてすぐにそれを見ることができませんでした。 それを詳しく見てみましょう。 上の図は、 アイドル状態が値1'b0でエンコードされていることを示しています。 3'b000はより正確になりますが、エディターはすべて同じようにやり直します。 Datapathブロックの入力は次のように記述されます。



それらをダブルクリックすると、より詳細なバージョンが表示されます：



これは、ALU命令のアドレスのゼロビットが、マシンの状態を設定する変数のゼロビットに対応することを意味します。 最初は1番目、2番目は2番目です。 必要に応じて、任意の変数と式をALU命令のアドレスビットに一致させることができます（元のバージョンでは、ALU命令のアドレスの2番目のビットが式と一致し、現在のバージョンでは明示的に使用されていませんが、脳を運ぶ例として非常に明確であるため、見てみることができます）。

だから。 マシンのバイナリステータスコードである入力の現在の設定では、このようなALU命令が使用されます。 コード000のアイドル状態にある場合、ヌル命令が使用されます。 ここにあります：



このエントリから、これが通常のNOPであることを既に知っています。 しかし、あなたはそれをダブルクリックしてフルバージョンを読むことができます：



NOPはどこにでも刻まれています。 レジスタには何も入力されていません。

ここで、どのような神秘的なフラグ！NoDataを見つけて 、マシンを強制的にアイドル状態から退出させましょう。 これは、 Datapathブロックからの出口です。 合計で、最大6つの出口を記述できます。 Datapathはより多くのフラグを生成できるというだけですが、すべての人に十分なトレースリソースがないため、本当に必要な6つ（またはそれ以下）を選択する必要があります。 図のリストは次のとおりです。



それをダブルクリックすると、詳細が表示されます：



表示できるフラグの完全なリストは次のとおりです。



必要なフラグを選択したら、名前を付けてください。 これ以降、システムにはフラグがあります。 ご覧のとおり、 NoDataフラグはチェーンF0ブロックステータス（空）の名前です。 つまり、入力バッファーにデータがないことを示す記号です。 Ah ！NoData 、それぞれ、その反転。 データ可用性の兆候。 データがFIFOに（プログラムまたはDMAを使用して）入力されるとすぐに、フラグがクリアされ（反転がコックされ）、次のクロックサイクルで、オートマトンはアイドル状態を終了してGetData状態に入ります。



ご覧のとおり、オートマトンはちょうど1クロックサイクル入った後、無条件でこの状態から抜け出します。 この状態の遷移グラフにはアクションが示されていません。 ただし、ALUが何をするかを常に確認する必要があります。 状況コードは1'b1、つまり3'b001です。 ALUの対応するアドレスを確認します。



何かあります。 ここに書かれていることを読んだ経験がないので、対応するセルをダブルクリックして開きます。



したがって、ALU自体はまだアクションを実行しません。 ただし、FIFO0の内容、つまりプログラムまたはDMAブロックからのデータはA0レジスタに配置されます。 今後は、A0がシフトレジスタとして使用され、そこからバイトがシリアル形式で終了すると言います。 レジスタA1は、レジスタD1の値を配置します。 一般に、Dレジスタはすべて、ハードウェアがアクティブになる前にソフトウェアで埋められます。 次に、APIを調べると、クロックティックの数がこのレジスタに配置され、3番目のビットの期間が設定されていることがわかります。 だから。 A0ではシフトされた値が下がり、A1ではビットの開始部分の継続時間の値が下がりました。 そして、次のビートで、マシンは確実にConstant1状態になります。



状態の名前が示すように、定数1がここで生成されますLEDのドキュメントを見てみましょう。 ユニットの転送方法は次のとおりです。



そして、ここにあります-ゼロ：



追加した赤い線。 3分の1の持続時間は等しいと仮定すると、パルスの持続時間の要件（同じ文書で与えられる）が満たされます。 つまり、インパルスは、開始単位、データビット、および停止ゼロで構成されます。 実際には、マシンがConstant1状態にあるときに開始ユニットが送信されます。

この状態では、マシンは内部トリガーでユニットをラッチします。 トリガーの名前はCurrentBitです。 元のプロジェクトでは、通常、補助オートマトンの状態を設定するトリガーでした。 私はそのマシンがすべての人を混乱させるだけだと決めたので、トリガーを開始しました。 どこにも記載されていません。 ただし、状態プロパティを入力すると、次のレコードがテーブルに表示されます。



そして、グラフの状態の下にそのようなテキストがあります：



等号に驚かないでください。 これらはエディターの機能です。 結果のVerilogコード（同じシステムで自動生成）には矢印があります：

 Constant1 : begin CurrentBit <= (1); if (( CycleTimeout ) == 1'b1) begin MainState <= Setup1 ; end end 

このトリガーでラッチされた値は、ブロック全体の出力です。



つまり、マシンがConstant1の状態になると、開発中のブロックの出力は1になります。 次に、アドレス3'b010のALUのプログラミング方法を見てみましょう。



この要素を明らかにします。



ユニット1がレジスタA1から減算されます。 ALUの出力値はレジスタA1に入ります。 上記では、A1は出力パルスの持続時間を設定するために使用されるクロックカウンターであると考えました。 最後のステップでD1から起動したことを思い出させてください。
状態を終了するための条件は何ですか？ CycleTimeOut 。 出力の中で次のように説明されています。



そこで、ロジックをまとめます。 前の状態では、プログラムによって以前に入力されたレジスターD1の内容は、レジスターA1に落ちました。 このステップで、マシンはCurrentBitトリガーを1に変換し、ALUでは、クロックサイクルごとにA1レジスタが減少します。 A1がゼロになると、フラグが自動的に発生し、作成者がCycleTimeoutという名前を付けた結果、マシンはSetup1状態に切り替わります。

状態Setup1は、有用なパルスを送信するためのデータを準備します。



3'b011のALU命令を見てください。 すぐに開きます：



ALUにはアクションがないように思われます。 操作NOP。 そして、ALU出力はどこにも到達しません。 しかし、これはそうではありません。 非常に重要なアクションは、ALUのデータシフトです。 実際のところ、出力間のキャリービットはShiftOutチェーンに接続されています。



そして、このシフト操作の結果として、シフトされた値自体はどこにも到達しませんが、 ShiftOutチェーンはレジスタA0の最上位ビットの値を取ります。 つまり、送信する必要があるデータです。 グラフの状態では、 ShiftOutチェーンにALUを残したこの値がCurrentBitトリガーにラッチされることがわかります。 記事を巻き戻さないように、もう一度図面を表示します。



ビットの2番目の部分の送信が開始されます-即値は0または1です。

ALUの指示に戻ります。 すでに述べたことに加えて、再びパルスの2/3の持続時間を測定するために、レジスタD1の内容がレジスタA1に再び格納されることがわかります。

DataStage状態は、 Constant1状態に非常に似ています。 オートマトンは単純にA1から1を引き、ゼロに達すると次の状態に入ります。 このように見せてください：



そしてこのように：



次に、 Setup2の状態になります 。その本質は既にわかっています。



この状態では、 CurrentBitトリガーはゼロにリセットされます（パルスの3分の3が停止部分として送信され、常にゼロであるため）。 ALUはD1の内容をA1にロードします。 あなたは訓練された目で短いメモでそれを見ることができます：



Constant0の状態は、 Constant1およびDataStageの状態と完全に同一です。 A1からユニットを引きます。 値がゼロに達したら、 ShiftData状態に戻ります。





ShiftDataの状態はより複雑です。 ALUの対応する手順では、次のアクションが実行されます。



レジスタA0は1ビットシフトされ、結果はA0に戻されます。 A1では、D1の内容が再び入力され、次のデータビットの開始3番目の測定が開始されます。

ShiftDataの状態をダブルクリックする優先順位を考慮して、出力矢印を考慮することをお勧めします。



最後のビットが送信されない場合（このフラグがどのように形成されるかについて、少し低い）、現在のバイトの次のビットに1を転送します。

最後のビットが送信され、FIFOにデータがない場合、アイドル状態になります。

最後に、最後のビットが送信されても​​、FIFOにデータがある場合、次のバイトの選択と送信に進みます。

次に、ビットカウンタについて説明します。 ALUには、A0とA1の2つのバッテリーしかありません。 それらは、それぞれシフトレジスタと遅延カウンタによって既に占有されています。 したがって、ビットカウンタは外部で使用されます。



それをダブルクリックします：



ブート時の値は6です。 変数セクションで説明されているLoadCounterフラグを使用してロードされます。



つまり、データの次のバイトが取得されると、この定数が途中でロードされます。

マシンがShiftData状態になると、カウンターは値を減らします。 ゼロに達すると、出力TerminalCountが接続され、 シードFinalBitの回路に接続されます。 この回路は、マシンが現在のバイトの次のビットを転送するか、新しいバイトを転送する（まあ、または新しいデータパケットを待つ）かを設定します。

実際、すべてはロジックからのものです。 Hungry出力の状態を設定するSpaceForData信号の生成方法（次のデータを送信できることをDMAユニットに通知する）、リーダーは個別に追跡するよう招待されます。

ソフトウェアサポート

元のプロジェクトの作成者は、統合ソリューションを説明するブロック内のシステム全体をソフトウェアでサポートすることを選択しました。 思い出させてください、私たちはこのブロックについて話している：



このレベルから、DMAライブラリブロックとUDBパーツに含まれるすべてのパーツの両方を制御できます。 APIを実装するために、オリジナルの作成者はヘッダーファイルとプログラムファイルを追加しました。



これらのファイルの本文形式は悲しくなります。 すべての責任は、「純粋なもの」に対するPSoC Designer開発者の愛です。 したがって、ひどいマクロとキロメートルの名前。 ここでは、C ++のクラス編成が役立ちます。 少なくとも、RTOS MAXを実装するときにこれを確認しました。美しく便利になりました。 しかし、ここでは多くのことを議論することができますが、上から失望させたものを使用する必要があります。 これらのマクロを含むAPI関数がどのように見えるかを簡単に示します。

 volatile void* `$INSTANCE_NAME`_Start(unsigned int nNumberOfNeopixels, void* pBuffer, double fSpeedMHz) { //work out cycles required at specified clock speed... `$INSTANCE_NAME`_g_pFrameBuffer = NULL; if((0.3/(1.0/(fSpeedMHz))) > 255) return NULL; unsigned char fCyclesOn = (unsigned char)(0.35/(1.0/(fSpeedMHz))); `$INSTANCE_NAME`_g_nFrameBufferSize = nNumberOfNeopixels*3; //Configure for 19.2 MHz operation `$INSTANCE_NAME`_Neo_BITCNT_Start(); //Counts bits in a byte //Sets bitrate frequency in number of clocks. Must be larger than largest of above two counter periods CY_SET_REG8(`$INSTANCE_NAME`_Neo_DPTH_D1_PTR, fCyclesOn+1); //Setup a DMA channel `$INSTANCE_NAME`_g_nDMA_Chan = `$INSTANCE_NAME`_DMA_DmaInitialize(`$INSTANCE_NAME`_DMA_BYTES_PER_BURST, `$INSTANCE_NAME`_DMA_REQUEST_PER_BURST, HI16(`$INSTANCE_NAME`_DMA_SRC_BASE), HI16(`$INSTANCE_NAME`_DMA_DST_BASE)); if(pBuffer == NULL) ... 

ゲームのこれらのルールを受け入れる必要があります。 これで、関数を開発するときにどこからインスピレーションを引き出すかがわかりました（これは元のプロジェクトで行うのが最適です）。 そして、ジェネレーターによって既に処理されたオプションを取り上げて、詳細について話すことを好みます。

コードの生成後（以下で説明）、このファイルはここに保存されます。



また、ビューはすでに完全に読み取り可能です。 これまでに2つの機能があります。 最初はシステムを初期化し、2番目はバッファからLEDラインへのデータの転送を開始します。

初期化はシステムのすべての部分に影響します。 UDBシステムの一部である7ビットカウンターの初期化があります。

  NP_Neo_BITCNT_Start(); //Counts bits in a byte 

D1レジスタにロードする必要がある定数計算があります（3番目の各ビットの期間を設定することを思い出します）。

 unsigned char fCyclesOn = (unsigned char)(0.35/(1.0/(fSpeedMHz))); CY_SET_REG8(NP_Neo_DPTH_D1_PTR, fCyclesOn+1); 

DMAブロックをセットアップすると、この機能のほとんどが使用されます。 バッファーはソースとして使用され、UDBブロックのFIFO0はレシーバーとして使用されます（キロメートルレコードのNP_Neo_DPTH_F0_PTR）。 作成者はこの設定の一部をデータ転送機能に持っていました。 しかし、私の意見では、各送信のためにすべての計算を行うことは無駄です。 特に、関数内のアクションの1つが非常に大きく見えると考える場合。

 //work out cycles required at specified clock speed... NP_g_pFrameBuffer = NULL; NP_g_nFrameBufferSize = nNumberOfNeopixels*3; //Setup a DMA channel NP_g_nDMA_Chan = NP_DMA_DmaInitialize(NP_DMA_BYTES_PER_BURST, NP_DMA_REQUEST_PER_BURST, HI16(NP_DMA_SRC_BASE), HI16(NP_DMA_DST_BASE)); ... NP_g_nDMA_TD = CyDmaTdAllocate(); CyDmaTdSetConfiguration(NP_g_nDMA_TD, NP_g_nFrameBufferSize, CY_DMA_DISABLE_TD, TD_INC_SRC_ADR | TD_AUTO_EXEC_NEXT); CyDmaTdSetAddress(NP_g_nDMA_TD, LO16((uint32)NP_g_pFrameBuffer), LO16((uint32)NP_Neo_DPTH_F0_PTR)); CyDmaChSetInitialTd(NP_g_nDMA_Chan, NP_g_nDMA_TD); 

1つ目の背景に対する2つ目の関数は、簡潔性の頂点です。 パフォーマンス要件がまったくない初期化段階で最初のものが呼び出されるだけです。 操作中は、余分なものにプロセッササイクルを無駄にしない方が良いです。

 void NP_Update() { if(NP_g_pFrameBuffer) { CyDmaChEnable(NP_g_nDMA_Chan, 1); } } 

（ダブルバッファリングを提供するために）複数のバッファで動作するための機能が明らかに十分ではありませんが、一般に、API機能の説明は記事の範囲外です。 主なことは、開発されたファームウェアにソフトウェアサポートを追加する方法を示すことです。 これで方法がわかりました。

プロジェクト生成

それで、ファームウェア部分全体の準備が整い、APIが追加されました。次に何をすべきか？ メニュー項目Build-> Generate Applicationを選択します。



すべてうまくいけば 、[ 結果 ]タブを開いて、拡張子がrptのファイルを表示できます。



ファームウェアの実装に費やされたシステムリソースの量を示しています。





結果を元のプロジェクトの結果と比較すると、私の魂は暖かくなります。

[ ソース ]タブに移動して、ソフトウェアパーツの操作を開始します。 しかし、これはすでに些細なことであり、特別な説明は必要ありません。

おわりに

この例から、読者がUDBブロックを使用した実践的な作業について、新しくて興味深い何かを学んだことを願っています。 専門家には明らかないくつかの側面を理解する必要があるため、特定のタスク（LED制御）と設計方法論に焦点を当てようとしました。 クエストの思い出が新鮮なうちにそれらをマークしようとしました。 解決された問題に関しては、私にとってタイミング図は元の開発の著者ほど理想的ではないことがわかりましたが、LEDのドキュメントで定義された許容範囲に完全に適合し、システムリソースは大幅に少なくなりました。

実際、これは見つかった非標準情報の一部にすぎません。 特に、ほとんどの資料から、UDBはシリアルデータでのみうまく機能しているように見えるかもしれませんが、そうではありません。 データを駆動および並列化する方法を簡単に示すアプリケーションノートを見つけました。 この情報に基づいて特定の例を検討することができます（ただし、サイプレスの別のコントローラーFX2LPに影を落とすことはできません。PSoCのUSBバス速度は遅くなります）。

私の頭は、3Dプリンターの「フラッシュ」の問題を解決する方法についてのアイデアを紡いでいます。 そこでは、ステッピングモーターにサービスを提供する割り込みがCPU時間のごく一部を食い尽くします。 一般に、 RTOS MAXに関する記事で、割り込みとプロセッサ時間について多くのことを話しました。 ステッピングモーターの保守では、すべての一時的な小屋を完全にUDBに持ち込み、専用のタイムスロットでこれを行う時間がないことを恐れることなく、プロセッサに純粋に計算タスクを任せることができると推定されています。

しかし、これらのことは、トピックが興味深い場合にのみ推論できます。