Лекция №06: Отладка приложения

Режим отладки приложения, это одна из наиболее полезных возможностей при разработке ваших проектов. Что-ж, пришло время рассмотреть её поближе. Запустите CSS, откройте в нём мигалку и запустите режим отладки, кликнув на старого-доброго жука. Только в этот раз, не надо запускать приложение. Не жмите треугольник. Ведь нам нужен именно режим отладки. Сделали? Отлично. Теперь на вашем экране должно быть примерно тоже, что и на картинке. По умолчанию, в режиме отладки, открывается 4 активных окна. С двумя из них, мы уже знакомы. Нижнее - различная информация о ходе работы IDE:  сообщения компилятора, или информация о загруженном коде. Там много всякой ерунды :) Ну и среднее окно - собственно, это наш редактор. Его-то вы точно узнали.

Что касается оставшихся двух окон, "Debug" и "Variables/Expressions/Registers". Тут на самом деле, тоже ничего сложного. Окно "Debug" показывает наше текущее положение в иерархии нашего проекта. Звучит не очень понятно, как и выглядит, но не забивайте себе голову. Просто напросто наша программа состоит всего из одного файла - main.c(ну не считая хидера), так что иерархии-то как таковой и нет вовсе. Поэтому выглядит не наглядно. Чуть позже вы всё поймете. Что касается второго окна, в нем отображаются текущие значения переменных используемых в коде и значения регистров нашего микроконтроллера.

Play/Pause/Stop

Обратите внимание коллекцию иконок в окне отвечающем за отладку. Тут вы можете увидеть ту самую кнопку запуска приложения, которую нажимали в конце предыдущей лекции. Помимо неё тут присутствует кнопка "Пауза"(которая, кстати, не активна до тех пор, пока не нажмёте кнопку запуска), следом за ней идёт кнопка останова. В общем, все как в вашем любимом аудио или видео плеере, до боли знакомые "Play", "Pause" и "Stop" Не хватает только клавиш перемотки :) Или... хватает? 

Теперь о клавишах перемотки. Их есть у нас :) По крайней мере, ближайшие аналоги. Взглянем на следующее изображение. На нём изображен целый ряд иконок со стрелочками. Пока что, нас интересует только первая из них. Она называется "Step Into" что по русски звучит как "С шагом в ...". Именно эту кнопку сегодня мы и будем использовать. Причем крайне активно. Сразу после ряда иконок со стрелочками, есть кнопка на которой изображён процессор с двумя вращающимися стрелками. Эта кнопка сбрасывает наш MSP430 и возвращает отладчик в начало кода.

Примеры

Прежде чем мы приступим к отладке нашего кода, давайте внесём в код некоторые изменения. К примеру, в цикле, где организована задержка, поменяем число 60000 на 6. Особо догадливые, наверное, уже поняли зачем это, если вы не из их числа, то наберитесь немножко терпения. Скоро все станет очевидно. Итак, после того как вы внесёте изменения в код, скомпилируйте и залейте в микроконтроллер обновленную версию мигалки.

Примечание переводчика: в оригинальной статье на скриншотах есть какая-то волшебная кнопка которая автоматически в режиме отладки компилирует измененный код и загружает новую версию приложения в MSP430. В своей CCS я этой кнопки в упор не вижу, поэтому буду благодарен если вы мне её покажете. Если у вас её тоже нет, - действуйте по старинке. Останавливайте отладку, и заново загружайте код в МК. Good Luck, sugarcubes :3

Ну что-ж, пришло время для использования нашей заветной кнопочки "перемотки", она же "Step Into". Когда вы её нажимаете, управление передается следующей строке вашего кода. Клик - строка. Клик - строка. Все просто и очень удобно. Таким образом вы можете пошагово проследить выполнение программы. В самом начале отладки, курсор должен стоять на строке в которой вы выключаете сторожевой таймер. Заметьте, то что эта строка выделена, вовсе не значит, что она выполнилась. Скорей наоборот, она выполнится тогда и только тогда, когда вы перейдете к следующему участку кода. Кстати, вы уже заметили, что переменная count уже появилась в окне Variables? Нет? Так вот она там есть :) CCS загружает эту информацию автоматически, ещё до начала отладки. Эта переменная, кстати, скорее всего имеет какое-нибудь совершенно случайное значение. Оно и верно, ведь переменная-то ещё не инициализирована.


Прежде чем мы "выполним" строку меняющую значение регистра WDTCTL, давайте взглянем на ещё одно крайне полезное окно. Кликните на менюшку View->Registers и вы увидите ещё одно окно, в котором содержатся все регистры вашего устройства. (Это КРАЙНЕ полезная фича, обучаться работе с регистрами нашего микроконтроллера с помощью неё - просто сказка) Найдите в этом списке регистр Watchdog_Timer. Раскройте его и увидите тот самый регистр который вы вот-вот измените - WDTCTL. Отладчик показывает, что в данный момент, значение регистра WDTCTL - 0x6900 (помните, что префикс 0x означает шестнадцатеричные данные). Раскройте и этот регистр, чтобы посмотреть на значения конкретных битов. Как вы видите, все они обнулены при включении нашего микроконтроллера. Это означает то, что при таких настройках, сторожевой таймер будет выполнять свои прямые обязанности, а именно - сбрасывать наш МК с определенным интервалом. Нужно ли нам это? Сейчас - нет. Как мы исправим наше положение? Правильно - нажмем 'Step Into' чтобы внести изменения в наш регистр.
Классно, правда? Значение WDTHOLD изменилось на 1(а само поле пожелтело, сигнализируя о том, что за этот такт в регистре что-то изменилось) а сам WDTCTL теперь равняется 0x6980. Ничего не настораживает? Хорошо если да. Особо внимательные из вас должны помнить, что WDTCTL для изменения требует константу 0x5A(WDTPW), в то время как при попытке чтения этих битов, возвращаемое значение всегда 0x69. Вот такие пироги.

(Кстати, хотите выполнить форсированный сброс вашего микроконтроллера? Легко! Просто напишите с виду безобидную строку WDTCTL = WDTCTL. Ведь правая часть этого выражения, подразумевает чтение значений, а чтение первых восьми битов этого регистра всегда возвращает 0x69, в то время как запись(левая часть) требует 0x5A. Таким образом, получается то, что WDTPW записывается неверный. Ну, а когда наш MSP430 получает некорректный пароль, он моментально сбрасывается. Мало ли чего)

Попробуйте, найдите регистры первого порта(P1) и выполните следующие две строчки кода. Посмотрите, как изменяются значения регистров. Завораживает =) Теперь, "курсор" отладчика должен стоять на строке который переключает состояние светодиода. То есть включает если он выключен, и выключает если включен. Всё просто. Кстати, гляньте ещё разок на переменную count, она всё ещё содержит случайное значение. Настало время для знаменательного момента - жмём ещё раз F5(Step Into) и ... он загорелся! Сейчас курсор отладчика располагается на строке с циклом for который выполняет нашу задержку. Жмём F5 и проходим первую итерацию цикла. Тут-то переменная count наконец-то инициализирована. Как мы видим, она принимает значение 0. F5. Переменная count теперь 1. Таким образом, мы жмём F5 до тех пор(теперь прикиньте, если бы там до сих пор стояло 60000), пока не выйдем из цикла, перейдя на следующую итерацию вышестоящего for, где мы снова переключаем значение регистра P1OUT и выключаем светодиод. В любой момент времени, вы можете нажать кнопку Run и сложить управление на плечи MSP430. Чтобы тот мигал самостоятельно, без вашего вмешательства. Есть один нюанс - вы этого не заметите. Этот микроконтроллер достаточно быстр, чтобы ваш глаз попросту не заметил его подмигиваний с задержкой в 6 тактов :)

Как видите, отладчик  - крайне полезная вещь, но вам следует помнить, что он не всегда сможет вам помочь. MSP430 спроектирована для взаимодействия с окружающим миром. Отладчик, останавливая часики внутри нашего микроконтроллера, к сожалению не способен останавливать время нашей вселенной. Это влечёт некоторые нестыковки при попытке отладки приложений взаимодействующих с чем-то в режиме реального времени. В следующих лекциях, мы изучим то, как можно производить отладку приложений зависящих от тактов окружающего мира, но это будет потом :) Надеюсь, я смог вас убедить в том, что отладка это крайне удобная процедура не только для отлова ошибок, но и для обучения. Для визуализации того, что происходит внутри микроконтроллера, когда выполняется та или иная строка кода.

Собственно, друзья, теперь наших знаний вполне достаточно для того, чтобы писать свои собственные несложные программы, загружать их в микроконтроллер, вылавливать ошибки, с помощью отладчика, в общем-то, это уже довольно много! Поздравляю вас :)
Совсем скоро, мы начнём более углублённое изучение этого микроконтроллера. Ну, а пока что - побалуйтесь, попробуйте написать более сложные мигалки :)

Домашнее задание: попробуйте отладить код из лекции №04. Ведёт ли он себя так, как вы ожидали? Не забудьте изменить условие в цикле задержки, чтобы не жать F5 шестьдесят тысяч раз :) Убедитесь, что программа работает в точности так, как вы запланировали. 

Перевёл и дополнил: Александр Мошкин
Оригинал статьи: Tutorial 06. Getting the Bugs Out
Следующая лекция:
Предыдущая лекция: Лекция №05. Загружаем программу

Лекция №05: Загружаем программу

Примечание: мною было решено внести некоторые изменения в процесс перевода. Теперь я буду не просто переводить лекции, а адаптировать их под нынешние реалии. Нет никакого резона писать о микроконтроллерах и приложениях трёхлетней давности. Поэтому:
Приложение: Code Composer Studio 5.3.0
Микроконтроллер: msp430g2553. Enjoy.

В этой лекции мы поучимся пользоваться приложением от TI, под названием Code Composer Studio. Это IDE(интегрированная среда разработки) основанная на open-source проекте Eclipse.
Eclipse это замечательный инструмент, и вам непременно понравится использовать его для программирования вашего микроконтроллера :)
Wiki от TI содержит ссылку на загрузку данного программного обеспечения. Для того чтобы загрузить его, вам потребуется регистрация на TI, но это отнюдь не минус - пользуясь вашим аккаунтом, вы можете получать бесплатные примеры кода прямо от Texas Instruments. Да и скорее всего, вы уже там зарегистрированы, так что в этом особой проблемы не будет.
CCS в данном случае - совершенно бесплатна для вас. При запуске, вам будет предложено несколько вариантов лицензирования этого приложения, среди которых, имеется бесплатный - с ограничением на длину кода. Ограничение это составляет аж 16кб. Но стоит огорчаться, для нашего микроконтроллера это в самый раз :) Так что, вы можете со спокойной совестью пользоваться ограниченной версией CCS абсолютно бесплатно, не испытывая никакого дискомфорта. Даже кряк искать не надо ;) Впрочем, когда мы приступим к программированию и отладке, вы сами убедитесь в том, насколько малы наши приложения.

После установки CCS - запустите его. Студия спросит вас о том, где бы вы хотели расположить ваше рабочее пространство(воркспейс). Воркспейс это просто напросто директория в которой будут храниться все ваши проекты. Не больше и не меньше. Кстати говоря, позаботьтесь о том, чтобы в пути к дистрибутиву CCS не было кириллицы. Впрочем, вас об этом предупредят. Вы всегда можете изменить расположение вашего рабочего пространства, кликнув в меню 'File -> Switch Workspace -> ...'

Примечание: я использую англоязычную версию CCS в силу того что я понятия не имею, есть ли вообще в миру русскоязычная. Да и знать не хочу, честно говоря. Привыкайте к английскому ;)

Стартовый экран CCS 5.3.0

Для начала, выберите в качестве воркспейса что-нибудь типа 'Мои документы/MSP430 LaunchPad'
Как только вы закончите, перед вами появится стартовый экран, прямо как на этой картинке. Вы, конечно же, можете сразу же кликнуть на 'New Project', но все таки, если вы начинающий - стоит обратить внимание на ролик 'Getting Started'. Я его, кстати, так и не посмотрел, так как он мне почему-то предложил установить Adobe Flash Player, который у меня и так есть. Поэтому о содержании оного, мне остается лишь догадываться(да и лень вообще-то). Так что, в какой-то степени - вам повезло! Смотрите и наслаждайтесь :) Скорее всего, там вам дадут некоторые базовые понятия о данной IDE. 

Code Composer Studio

Как только вы почувствуете что вы готовы, и вас не смущает новое для вас программное окружение - закройте стартовый экран(вы всегда можете вернуться в него по меню Help->Welcome to CCS). Теперь вы в наедине с IDE. По началу, приложение не блещет разнообразием, выглядит довольно пустовато, согласитесь(честно говоря, скриншот был сделан уже после того как я поработал с IDE, поэтому не знаю как он выглядит изначально, но думаю - пустовато :Р), но не отчаивайтесь, скоро вам вообще места хватать не будет. Ну что же, приступим к созданию нашего первого проекта(Woo-Hoo!). Кликаем на 'File->New->CC Project' и введите имя вашего проекта. Не пишите "test" или подобную ерунду, имя программы должно отражать его суть. Кстати говоря, к названиям я предпочитаю добавлять суффикс, который показывал бы, для какой конкретно модели микроконтроллера расчитана данная программа. К примеру для нашей мигалки, это выглядит так: blinky_g2553. В пункте Output File выберите "Executable", остальные пункты подгоните подстать вашему микроконтроллеру, например: Family: MSP430, Variant: MSP430Gxxx Family, MSP430G2553. В пункте Connection обычно уже выставлено то что надо, при условии подключенной платы LaunchPad к вашему компьютеру. Жмём "Finish" и готово!

Исходный код мигалки ;)

Вот и наш редактор кода! Растяните окна так как вам удобно, и введите исходный код нашей мигалки. Ввели? Отлично. Теперь пришло время скомпилировать наш код. Вообще говоря, вовсе не обязательно компилировать вашу программу перед тем как загружать её в микроконтроллер. Но лучше всё таки побороть лень, и сделать это. Зачем? Ну, вам же будет проще, если все возможные ошибки вылезут наружу ДО того как вы приступите к отладке вашего приложения, не так ли?:) Для того чтобы скомпилировать программу, вам следует найти иконку с молотком и нажать на неё. Всё просто. Если вы не допускали ошибок по ходу написания программы, компиляция пройдет как по маслу. Кстати об этом. Вы наверное заметили, что при компиляции программы, внизу CCS появляется два дополнительных окна - "Console" и "Problems" так вот, если вы допустили какие-то ошибки в исходном коде, в окошке "Problems" компилятор на них укажет. Во втором же окне, отображается просто информация о ходе сборки. Ничего важного для нас там, пока что нет. 

Отладка нашей мигалки

Окей, всё хорошо, ошибок нет, код скомпилирован. Хватит дурить, пора заливать код в наш MSP430! Подключите ваш LaunchPad в USB порт. Если при установке CCS драйвера установились корректно и без ошибок, тогда просто кликните на иконку с жуком. Она рядом с молотком :) После нажатия, главное окно CCS полностью поменяется, заполнится всякими пока ещё непонятными окошечками и надписями. Впрочем, некоторые из них уже нам знакомы. Но сейчас не об этом. В общем, если питания поступающего от USB хватает, если драйвера установлены, то все должно пройти без заминки. Если же возникли какие-то проблемы, попробуйте переустановить CCS(или Windows) другого решения проблем в этой ОС я просто не знаю ;) Ладно, ближе к делу. Обратите внимание на окно с заголовком "Console". Там информация о нашей мигалке:

MSP430: Loading complete. Code Size - Text: 180 bytes Data: 2 bytes.

Это информация о загруженных в микроконтроллер данных. Обратите внимание - всего 182 байта. На MSP430G2553 доступно 16кБ. Подсчитайте, сколько таких мигалок туда влезет ;)

Вот вы нажали на "жучка" и затаив дыхание, с глуповатой улыбкой уставились на ваш LaunchPad. Ждёте что он замигает? Ха - нет. По крайней мере, не сразу. Дело в том, что наш отладчик останавливает выполнение программы сразу же после того как было подано питание(Power Up Reset, аббр.: PUC). В середине нашей CCS мы видим, что строка с кодом 
void main(void) {
выделена другим цветом. Так отображается то место в коде, на котором в данный момент остановлено выполнение программы. Возможно вас это несколько обескуражит, но это КРАЙНЕ полезная вещь. Что это такое и с чем это едят, мы рассмотрим в другой лекции. Сейчас же, все что нам надо, это наконец заставить мигать чёртов светодиод! Сказано - сделано :) Жмём зелёный треугольничек(или F8) и наслаждаемся. Треугольничек отключит режим отладки и передаст управление в руки MSP430. Yay! Наша мигалка работает. Мигать она должна с интервалом что-то около секунды. Кстаати, вот ещё что:
Если ваша мигалка вовсе не мигалка, а просто горящий светодиод, то вы немного ошиблись в коде. Держу пари, что для переменной count вы указали тип int, а не unsigned int как было сказано. В знаковом int'е просто напросто нет такой цифры - 60000, он не сможет до неё досчитать. Поэтому нужен беззнаковый - unsigned int.

Спасибо за внимание ;)


Перевёл и дополнил: Александр Мошкин 
Оригинал статьи: Tutorial 05. Loading the Program 
Следующая лекция: Лекция №06. Отладка приложения
Предыдущая лекция: Лекция №04. Крутимся в цикле

Лекция №04: Крутимся в цикле

Прим. переводчика: Прошу прощения, за огромную задержку. Было слишком много дел, да и редакторша подвела. В общем, отныне статьи выкладываться будут без редактирования, а почему - не удивляйтесь, если встретите в тексте какие-нибудь глуповатые словообороты или лишние запятые. Так что извините: чем богаты тем и рады.

Теперь, когда наших знаний достаточно для того чтобы написать нашу первую программу для MSP430, мы с вами поучимся их писать. Писать нашу первую программу, мы будем под микроконтроллер MSP430G2211 который поставляется с платой LaunchPad. Если же, вы не используете эту плату, то ничего страшного, эта программа настолько проста, что никаких проблем с этим возникнуть не должно. Единственное условие - это подключенный светодиод к одной из ножек GPIO(англ.: General Purpose I/O - система ввода/вывода общего назначения), а это - ножки нашего микроконтроллера. Подключите светодиод через резистор(пары сотен Ом, должно хватить) чтобы избежать возможности подачи слишком большого напряжения.
Владельцам LaunchPad’а же, ничего подключать не надо, на этой плате имеются все необходимые элементы.

В наших предыдущих лекциях, мы упоминали короткие имена BITx которые содержатся в специальном заголовочном файле для нашего устройства. Имя его совпадает с именем указанным на вашем микроконтроллере. К примеру - “msp430g2211.h”, так что если вы используете какой-либо другой микроконтроллер, просто укажите вашу маркировку.
Получается, что первая строчка любой программы для MSP430 должна выглядеть примерно(зависит от микроконтроллера) так:

#include <msp430g2211.h>

Обычно, это единственная строка которая требуется для того чтобы приступить к написанию “тела” основной программы. По крайней мере, для написания нашей первой программы, кроме неё уж точно ничего не требуется. Что же будет делать наша первая программа? Мы просто будем мигать нашими светодиодами. Это своеобразный “Hello world!” в программировании микроконтроллеров. Назовём эту программу “мигалкой”. Наша мигалка это простая программа, которая включает и выключает светодиод с заданным интервалом времени. Эта самая мигалка, поможет нам научиться использовать таймеры, прерывания и тому подобные вещи но, немного терпения: сначала нам надо рассмотреть более простой способ достичь того же функционала, пусть и несколько “грязновато”. Способ этот, самый простой из всех возможных: использовать “пустой” цикл чтобы имитировать необходимую нам паузу между включением и выключением светодиода. На нашей плате LaunchPad зеленый светодиод подключен к P1.0, а красный - к P1.6. Для начала, мы помигаем только зеленым. Приступим!
Начинаться наш код будет с таких строк:

#include <msp430g2211.h>

void main(void) {

} // main

Прежде чем мы продолжим, хотелось бы напомнить про специальный сторожевой таймер(англ.: WatchDog Timer), в одной из предыдущих статей я достаточно подробно описал то, зачем он нужен и что делает, поэтому не буду заострять на нём внимание, просто освежу ваши воспоминания: этот таймер с определенным интервалом сбрасывает микроконтроллер в начальное состояние.
По умолчанию, этот таймер включается вместе с нашим микроконтроллером. Так как нам не надо никаких сбросов, нам придется его отключить(как работать с этим таймером, чтобы получать необходимую нам задержку, мы поучимся позже).

У WDT имеется 16-битный настроечный регистр, названый WDTCTL(англ.: WatchDog Timer ConTroL) но только первые 8 бит этого регистра, содержат биты управления этим таймером, остальные, верхние 8 бит, использованы в целях безопасности - если вы хотите изменить настройки WDT вам придется предоставить “пароль”, верхние 8 бит и являются этим самым паролем, а именно: 0x5A(вообще, так как наш регистр все же 16-битный, то было бы правильнее написать - 0x5A00). Именно такое значение должно быть установлено в верхние биты этого регистра, чтобы избежать случайных записей в связи какими-нибудь сбоями. Не стоит пугаться - в наш заголовочный файл уже включено короткое имя для нашего пароля - WDTPW(англ.: WDT PassWord), для выключения сторожевого таймера, аналогично имеется короткое имя - WDTHOLD. Получается, что для того чтобы выключить наш надоедливый таймер, нам всего-то надо указать в настроечном регистре “кодовую фразу” и притормозить таймер:

WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;

Бит WDTHOLD можно рассматривать как логическое состояние “таймер остановлен”. То есть, если этот бит равен 1(истина), то таймер остановлен, если же 0(ложь) - таймер работает. Вышеуказанной строчкой, мы его “остановили” установив в этот бит значение 1.
Вам следует взять в привычку начинать все ваши первые программы с этой строки, чтобы избежать каких-либо осложнений, но имейте ввиду, WDT обладает очень полезным функционалом и не раз вам поможет в будущем, но на данной стадии обучения он нам совершенно не нужен, так что выключайте его с первых строк.

Окей, сторожевой таймер выключен, теперь мы можем продолжить написание нашего кода. Мы хотим зажечь светодиод на P1.0, из предыдущей лекции мы уже знаем как это сделать:

P1OUT = 0;
P1DIR = BIT0;

Теперь наша задача, заставить светодиод включаться и выключаться по истечению заданного интервала времени. В качестве примера, я буду использовать цикл for, хотя если вы желаете, вы можете написать любой цикл, будь то for, while или do-while. Кроме того, нам необходима переменная-счетчик для цикла, так что не забудьте определить её в начале вашего кода:

#include <msp430g2211.h>

void main(void) {
   unsigned int count;
   WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;

   P1OUT = 0;
   P1DIR = BIT0;

   P1OUT |= BIT0;
   for (count = 0; count < 60000; count++);
   P1OUT &= ~BIT0;
   for (count = 0; count < 60000; count++);

} //main

Что же произойдет когда микроконтроллер дойдет до последней строчки кода? Компьютер бы просто завершил программу, а вот микроконтроллер будет просто считает следующий адрес, выполнит следующую инструкцию, где может быть вообще что угодно. Скорее всего, там будут мусорные данные которые остались от предыдущих программ, которые превосходили по объему нашу. В любом случае, микроконтроллер будет считывать и считывать, пока не дойдет до самого конца адресного пространства выделенного под нашу программу и тогда … ну, я понятия не имею что тогда. Так или иначе, это совсем не то на что мы расчитывали при написании нашей программы, так что не помешало бы предотвратить подобное поведение. Сделаем мы это, заключив наш код в бесконечный цикл который будет выполнять наш код снова и снова, пока подача питания не прекратится. Вообще - довольно дурной тон, писать подобные конструкции, но пока что, нам не до манер, мы просто хотим поскорее сделать нашу мигалку:

#include <msp430g2211.h>

void main(void) {
   unsigned int count;
   WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;

   P1OUT = 0;
   D1DIR = BIT0;

   for (;;) {
       P1OUT |= BIT0;
       for (count = 0; count < 60000; count++);
       P1OUT &= ~BIT0;
       for (count = 0; count < 60000; count++);
   }
} // main

Как и прежде, вместо этого цикла вы можете использовать цикл while(1) или что-нибудь подобное, как вам удобнее.

Вот наша мигалка и готова! Светодиодик загорается, ждёт, затухает, снова ждёт, а потом возвращается к первому шагу, на котором он снова загорается и … и так до бесконечности.
Вот более “чистый” код, тут используются те самые битовые операции из предыдущей лекции:

#include <msp430g2211.h>

void main(void) {
   unsigned int count;         // счетчик цикла
   WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; // выключаем сторожевой таймер

   P1OUT = 0;                // инициализируем начальное значение светодиода как 0
   P1DIR = BIT0;             // P1.0 в режим вывода
   for (;;) {
       P1OUT ^= BIT0;       // изменить состояние светодиода как P1.0
       for (count = 0; count < 60000; count++);   // ждём
   }
}

Теперь, для того чтобы изменить частоту мигания, вам всего-то достаточно изменить “длину” цикла. К примеру, вместо 60000 написать 30000, тогда мигалка будет мигать в два раза быстрей.
Как вы заметили, некоторые строки кода снабжены комментариями. Да, согласен, в программах подобной сложности, они возможно и не нужны, так как код сам по себе очевиден, но в любом случае, вам следует взять в привычку комментировать свои исходные коды. Это считается хорошим тоном, да и вообще, не раз вам поможет.

Упражнения: Напишите программу, которая мигает поочередно красным и зеленым светодиодом. Затем, модифицируйте её так, чтобы они мигали независимо друг от друга.

Перевод: Александр Мошкин
Оригинал статьи: Tutorial 04: Stuck in a Loop
Следующая лекция: Лекция №05. Загружаем программу.
Предыдущая лекция: Лекция №03. Жонглируем битами.

Лекция №02: MSP430. Города и регистры.

Большинство статей, посвященные MSP430, что мне довелось видеть, почти с первых строк рассказывали об архитектуре процессора, адресации памяти, шинах данных и прочих технических штуках, которые, к сожалению, человеку без опыта в области электроники, довольно тяжело понять. В этой статье я попытаюсь объяснить вам азы, необходимые для начала работы с этим семейством микроконтроллеров(далее МК), без всяких заумных вещей типа биполярных соединений и тому подобного. Глубокие технические знания были бы очень полезны в тонкой настройке разрабатываемой системы или в программировании на ассемблере, но и элементарных знаний языка С достаточно, чтобы начать вполне комфортную и продуктивную работу.

Одна из особенностей, которая выделяет микроконтроллеры MSP430 из основной массы, - это фон-Неймановская архитектура: все данные, которыми может оперировать процессор, расположены в одном адресном пространстве. Остальные же микроконтроллеры отличаются в этом плане: их данные могут располагаться в различных адресных пространствах, что повышает эффективность, но изрядно усложняет работу с ними, а нам этого ой как не хочется. Чтобы быстро понять, о чем речь, можно представить себе микроконтроллер как город: в фон-Неймановских городах(как MSP430) все люди живут в одном городе и имеют свой собственный, уникальный адрес. Ну а, к примеру, в Гарвардской архитектуре городов несколько, поэтому адреса могут повторяться. Таким образом, если вы захотите отправить письмо по определенному адресу, сначала вам придется уточнить город.

Память
Адресное пространство MSP430 включает в себя область для хранения непосредственно самой программы, область для хранения данных, необходимых этой программе, оперативную память и прочую важную информацию, которую мы с вами рассмотрим чуть позже. Сегодня же всю вашу неуёмную тягу к знаниям мы будем удовлетворять изучением адресов в памяти, которые называются “регистрами”. Эти адреса как различные коммунальные и социальные службы (такие как почта или ЖКХ) в нашем небольшом MSP430-городке. В нашем же микроконтроллере регистрами контролируются различные функции процессора и периферии. Представьте себе помещение с множеством разных переключателей и кнопочек, от которых зависит включат ли завтра в вашем районе отопление или горячую воду - это и будут наши регистры. Как и любые другие выключатели, они имеют всего лишь два состояния - “включено” и “выключено”, говоря компьютерным языком - 1 и 0. В микроконтроллере же состояние регистров определяет как будет себя вести та или иная периферия, за что будет отвечать та или иная ножка вашего МК, что произойдет при наступлении определенного события, и так далее, и тому подобное. Регистры в MSP430 сгруппированы в 3 секции:
1) Регистр специальных функций (англ: special function registers (SFR)).
(прим. переводчика.: подобные аббревиатуры следует запоминать, или хотя бы записывать, в дальнейшем, они будут использоваться достаточно часто)
2) 8-битные регистры, для различной периферии процессора(для хранения “настроек” периферии которым, достаточно лишь 8 бит)
3) 16-битные регистры(то же самое, только выделяется 16 бит).  
В качестве примера, давайте взглянем на самого маленького представителя семейства MSP430, а именно - на микроконтроллер MSP430G2001. Откройте следующие документы: описание серии x2xx и спецификации G2x01.


Заметьте, что вышеуказанные ссылки могут быть несуществующими, такое случается, если “Texas Instruments” делает обновление документации. Проще всего отыскать эти документы, перейдя на официальный сайт TI и найти блок “Search by Part Number”. Для того, чтобы найти документацию по серии G2x01, достаточно ввести любую маркировку, которая попадает под эту маску, к примеру msp430g2001.


Давайте взглянем на четвертую часть первой главы(Address Space) описания серии x2xx(англ.: family guide), которая иллюстрируют нам карту нашего “городка” семейства x2xx.  Как вы видите, регистры SFR расположены, начиная с адреса 0h и заканчивая Fh (символ h указывает на то, что адрес написан в шестнадцатеричной системе исчисленgия; в десятеричной же они бы выглядели как 0 и 15).  Следующими идут 8-битные регистры; их адреса начинаются с 010h и заканчиваются адресом 0FFh (в десятичной системе: с 16 по 255), затем, с адреса 0100h по 01FFh идут 16-битные регистры. Вы, наверное, заметили огромное пустое место между областями оперативной и флэш памяти(прим.: не путайте flash-память с USB-накопителями или другими внешними накопительными устройствами, в данном случае, флэш-память - это “перепрограммируемая память”). Описание данной серии микроконтроллеров показывает нам те области памяти, которые относятся ко всему семейству x2xx, чтобы увидеть точные значения для какого-либо конкретного микроконтроллера, вам необходимо обратиться к спецификации этого чипа, называемой даташитом(англ.: datasheet - привыкайте к этому названию, везде используется именно оно).

Одиннадцатая страница даташита предоставляет нам карту распределения памяти, которая соответствует всем микроконтроллерам серии G2x01 и G2x11. Взглянув на столбик с G2001, можно увидеть, что сначала идут служебные регистры периферии(SFR, 8-bit, 16-bit)  затем идут 128 бит оперативной памяти. Адресное пространство, начиная с адреса 0201h и заканчивая 10FEh, пустое, после него мы видим 256-бит памяти, именуемые служебной областью памяти(эта область памяти хранит в себе калибрационные данные и прочие важные значения,которые необходимо сохранить, если питание к устройству перестало поступать. Обычно эти данные недоступны для перезаписи, но это не значит,что это невозможно при реальной необходимости, но это отдельная история, заслуживающая отдельной лекции). В итоге мы имеем 512 байт памяти для программного кода и, в довершение всему, память, которая выделена под векторы прерываний(но об этом тоже в другой лекции).

Регистры
Теперь мы с вами видим как выглядит изнутри наш “G2001-городок”, следовательно, нам следовало бы разобраться, как работать с теми самыми “домами с переключателями”, которые мы описали выше. Регистры в микроконтроллере MSP430 - это специальные секции в памяти, с помощью которых он конфигурируется и которые сообщают нам, когда случается что-то важное. Страница номер 10 нашего даташита показывает, какие регистры специальных функций(SFR) доступны в нашем G2001. Как мы видим, у этого устройства есть только четыре регистра спец. функций, расположенных по адресам с 0h по 3h: регистр разрешения прерываний 1 (англ.: Interrupt Enable 1(IE1)), регистр разрешения прерываний 2(IE2), и два регистра флагов прерываний IFR1 и IFR2 (англ.: Interrupt FlaG Register). Каждый адрес указывает на 1 байт в памяти, а в одном байте, как нам известно, - 8 бит. Помните наши “дома с переключателями”? Так вот, каждый бит в регистре выполняет роль одного переключателя. Таким образом, сам регистр является домом, а каждый его бит - переключателем, который имеет два состояния 0(выкл) и 1(вкл). Каждый из этих битов очень важен, состояние каждого из них так или иначе влияет на работу микроконтроллера и его поведение в целом. Страница 10 также показывает нам какие биты в этих регистрах доступны на нашем G2001.

В данном случае, в регистре IE1 нам доступны только 0, 1, 4 и 5 бит, в то время как в IFG1 нам доступны все биты с 0 по 5. В даташите содержится полная информация о том, какое имя носит каждый из этих бит и какую функцию он выполняет. К примеру, нулевой бит в регистре IE1 называется WDTIE - разрешение прерываний сторожевого таймера(англ.: WatchDog Timer Interrupt Enable). По умолчанию этот бит имеет значение 0, но если мы изменим его и установим в него 1, то мы позволим сторожевому таймеру “поднимать” флаг прерывания в регистре IFG1(бит под номером 0, если быть точнее), тем самым вызывая прерывание(как уже говорилось, что такое прерывания мы рассмотрим позже). Проще говоря, этот бит указывает нашему MSP430, может ли сторожевой таймер сигнализировать процессору о том, что нужно что-то сделать, или же он используется в обычном режиме. Тут, наверное, стоило бы пояснить, что такое сторожевой таймер и что есть “обычный” его режим. Сторожевой таймер необходим для того чтобы сбрасывать процессор в то состояние, в котором он был на момент подачи питания. Сбрасывает он его регулярно, с определенным интервалом. Зачем же это нужно? Если во время работы программы происходит какой-то сбой, то сторожевой таймер сбрасывает эту программу, чтобы она снова смогла работать. Разумеется, его можно отключить. Когда мы переводим сторожевой таймер в интервальный режим, то он вместо того, чтобы сбрасывать нашу программу, просто напросто посылает процессору сигнал. Как обрабатывать этот сигнал и что делать процессору при получении этого сигнала - это решение ложится на плечи программиста. Обычно это используется для того, чтобы совершать какие-либо цикличные действия. К примеру, в самом элементарном случае поморгать светодиодом, чем мы с вами вскоре и займемся.

Теперь взглянем на 14 страницу нашего даташита. Эта таблица предоставляет нам всю информацию о существующих периферийных “устройствах”, адреса их регистров и их имена.  Кстати говоря, внизу таблицы расположена информация и о SFR, которые мы не раз упоминали в данной статье.  Таким образом, когда вы захотите использовать какую-либо периферию вашего микроконтроллера, эта таблица будет вашей отправной точкой для того чтобы узнать какие именно “домики с переключателями” вам необходимо посетить, чтобы быть уверенным, что все ваши регистры настроены правильно. Сегодня мы с вами подробнее рассмотрим регистры предназначенные для порта 1(Port P1) и порта 2(Port P2), так как они являются основными элементами которые необходимы для работы с нашим микроконтроллером.

Порты это основные устройства ввода/вывода доступные на микроконтроллере, ввод/вывод производится через ножки(англ.: pin) вашего МК. Распиновку вашего устройства вы можете посмотреть на третьей странице даташита. Под портом обычно подразумевается набор из 8 пинов микроконтроллера. Но пинов у порта может быть и меньше, это бывает, если ножек просто напросто не хватает до полного набора. Распиновка, изображенная в даташите, показывает нам, что G2001 имеет полный набор из 8 ножек для порта 1(c P1.0 по P1.7) и две ножки для порта 2(с P2.6 по P2.7). Каждый регистр каждого порта имеет бит, который соотносится с соответствующей ножкой микроконтроллера. К примеру, P1.4 контролируется 4-м битом каждого регистра, который принадлежит порту 1(P1). Давайте познакомимся поближе с регистрами, которые предлагает нам микроконтроллер.

PxIN
Входной регистр, значения которого находятся в режиме “только для чтения”(англ.: read-only).  Если направление ножки было выбрано как “входящее”(англ.: INput), то значение этого регистра будет сообщать вам, подано ли в данный момент напряжение на эту ножку или же нет. Следует понимать, что чтение значения регистра PxIN возвращает вам данные по всем ножкам соответствующего порта за раз. Не стоит так же забывать и то, что это цифровая технология, поэтому каждый считанный бит может быть только в двух состояниях: 1 или 0. Эти значения показывают нам, какое напряжение подано на ножку: Vss(если значение 0) или же Vcc(если значение 1), значение 0 принимается в том случае, если поданное напряжение ниже 1.8 вольт(Vss < 1.8В), ну а значение 1 принимается в том случае, если поданное напряжение попадает в рамки между 1.8 и 3.6 вольт(1.8В <= Vcc <= 3.6В). Во избежание нанесения ущерба вашему устройству НИКОГДА не пытайтесь напрямую подавать напряжение выше верхнего порога Vcc. Если говорить в двух словах - Vcc это вольтаж, а Vss - земля.

PxOUT
Выходной регистр, доступный для записи. Когда определенный пин вашего микроконтроллера установлен в “режим вывода”(англ.: OUTput), вы можете подавать на него напряжение, просто установив соответствующему биту в этом регистре значение 1. Так же как и в регистре PxIN при значении 0 на ножку подается напряжение с Vss, если 1 - Vcc.

PxDIR
Регистр направления(англ.: DIRection), определяет пин в режим ввода, если в соответствующем бите данного регистра установлено значение 0 и в режим вывода, если 1. В самом начале вашей программы следует указать все направления пинов, которые вы планируете использовать. Разумеется, это не значит, что вы не можете изменить эти значения где-нибудь в середине программы.

PxIE, PxIES, и PxIFG
Следующие три регистра, которые имеются у наших портов: регистр разрешения прерываний(англ.: Interrupt Enable (IE)), контрольный регистр прерываний(англ.: Interrupt Edge Select (IES)) и регистр флагов прерываний(англ.: Interrupt FlaG (IFG)). Мы рассматриваем эти три регистра вместе, так как работа с любым из этих регистров, предполагает работу с двумя оставшимися, они неразрывны друг с другом.  Что такое прерывание? В настоящий момент вам достаточно будет просто представить, что это некое сообщение, посылаемое процессору, при получении которого он приостанавливает все свои дела и начинает выполнять те действия, которые предписаны на выполнение при получении оного. Как только он завершит обработку прерывания, процессор как ни в чем не бывало возвращается к своей предыдущей работе и продолжает выполнение основной программы. Чтобы разрешить определенному пину вашего порта генерировать прерывания, вы просто “поднимаете”(устанавливаете значение 1) соответствующий этой ножке бит в регистре разрешения прерываний(PxIE где x - номер порта). Контрольный регистр прерываний(PxIES) содержит в себе контрольные биты(edge-bits), с которыми сравнивается текущее состояние регистра PxIN. Проще говоря, если у вас есть ножки, которые в регистре PxDIR назначены в input-режим(битам, соответствующим ножкам назначено значение 0), то регистр PxIN сравнивается по битам со всеми значениями регистра PxIES и если случается так, что значения соответствующих битов в этих регистрах имеют разное значение, то следующее, что делает процессор - это проверяет, разрешены ли для этих ножек прерывания - сравнивает с регистром PxIE,- и если прерывания разрешены - генерируется прерывание, а это, в свою очередь, ни что иное как “поднятие” соответствующих битов в регистре PxIFG(регистр флагов прерываний).
Ещё раз вкратце: прерывание для определенной ножки вашего микроконтроллера считается сгенерированным, если в регистре PxIFG поднят флаг(бит принял значение 1) который своим порядковым номером соответствует этой ножке. Биты регистр PxIE определяют, какие вообще ножки вашего микроконтроллера имеют право поднимать эти флаги, если в регистре PxIE бит с порядковым номером 0 имеет значение 0, то эта ножка попросту не имеет доступа к регистру PxIFG, а следовательно, не может генерировать прерывания. В регистре PxIES хранятся контрольные значения. Процессор сравнивая регистры PxIN и PxIES генерирует прерывания для ножек, значения битов которых в этих регистрах разнятся.

В силу того что я не очень хорошо разбираюсь в подобных нюансах, при переводе я допустил несколько грубых ошибок. Особенно это касается регистра PxIES. В комментариях есть более  правильно объяснение того, за что отвечает этот регистр. К сожалению, я пока ещё сам его не понял. Так что, как только все прояснится, обещаю внести поправки в статью. Пока - довольствуемся комментарием :)

PxSEL
Если снова взглянуть на третью страницу нашего даташита, где изображена распиновка нашего микроконтроллера, можно заметить, что каждая ножка имеет несколько функций, которые разделены слэшем. Этот регистр выбора(англ.: SELection Register) определяет, какую функцию тот или иной пин будет выполнять. Функция, которую та или иная ножка выполняет по умолчанию, указана первой - так мы можем заметить, что все ножки первого порта(P1) по умолчанию настроены просто на ввод и вывод(I/O - Input/Output), в то время как ножки P2 по умолчанию подключены к кварцевому генератору. Изменение битов в PxSEL поменяет основную функцию соответствующей ножки. Все это мы рассмотрим позднее, сейчас же наша основная задача - научиться использовать стандартные функции, которые предопределены в этом регистре.

PxREN
Регистр включения резисторов(англ.: Resistor ENable register) - очень удобная функция портов. Иногда необходимо вручную подать напряжение или же напротив, прекратить подачу оного. К примеру если вы подключите к вашему микроконтроллеру какую-нибудь кнопку. Регистр включения резисторов предоставляет вам эту возможность. Когда бит, соответствующий вашей ножке в этом регистре “поднят”, подача может регулироваться установкой этого же бита в регистре PxOUT в 1 или 0.

Ну что же, мы рассмотрели некоторые доступные нам “переключатели”, поэтому, чтобы закрепить пройденное, в следующей статье мы рассмотрим как их использовать при написании нашей программы и загрузке её на наше устройство.



Оригинал статьи: Tutorial 02: The MSP430 Township and Registers
Перевод: Александр Мошкин
Коррекция: Алёна Ступникова