[Программирование микроконтроллеров, Электроника для начинающих] На распутье

[Программирование микроконтроллеров, Электроника для начинающих] На распутье — Ардуино, Cи или Ассемблер?

Ответить на тему

Автор

Сообщение

news_bot ^®

Стаж: 6 лет 9 месяцев
Сообщений: 27286

news_bot ^® написал(а)
22-Мар-2021 13:31

Цитировать

Сначала короткая предыстория появления этого поста. Относительно давно, помигав светодиодом, захотелось сделать что-то полезное. Так появился Беспроводной программируемый по Wi-Fi комнатный термостат с монитором качества воздуха и другими полезными функциями. Как назло, в это время перестал работать мой промышленный термостат. Меня выручила еще сырая поделка, наспех спрятанная в картонную коробочку. За время отопительного сезона напрягал лишь один недостаток прототипа – это необходимость таскать по квартире удлинитель 220В и кабель, который всегда путался под шваброй ногами. Поэтому решил сделать нечто похожее, но автономное, притом, с питанием от батареек, как в серийном образце. Тут я завис надолго.
Приступая к задаче, для меня было очевидно одно – вряд ли программы промышленных автономных устройств составлены на платформе Arduino IDE. Где все спрятано в громоздкие тяжеловесные библиотеки, а простые коды (скетчи) занимают в редакторе несколько десятков строк, делая работу в этой среде комфортной и не требующей особых усилий. Уточню сразу – дальше речь выборе языка программирования между Ардуино, Си или Ассемблером. Хотя, понятно, на потреблении устройства в целом сказывается слишком много факторов таких, как энергопотребление подключенных модулей, потребление самого контроллера, который управляет периферией, не последнюю роль тут играет оптимальное построение самого кода и алгоритм работы устройства.
«… направу ехати — женату быти; налеву ехати — богату быти»

В начале пути, перед выбором направления меня оптимистично настроила статья Почему многие не любят Arduino. Ниже, для наглядности, картинка оттуда с кодом «мигалки».

Пример слева написан на языке Ардуино, а справа — работа непосредственно с регистрами. Код на Ардуино выглядит несколько компактней, чем та же «мигалка», но с использованием регистров.
На изображении ниже — компиляция кода «мигалки» на Ассемблере. Как видно, былая компактность испарилась – количество строк в 3 раза больше, чем в Ардуино.

И так, с 2 картинок выше видно – размер памяти, занимаемой в контроллере кодом «мигалки» одним светодиодом, написанным на Ардуино, составляет 1030 байт, на Си – 176 байт, на Ассемблере – 42 байта.
Теперь взглянем на более сложный код. Поскольку в своих проектах использую модуль давления-температуры BMP280, составил код барометра-термометра на Си, чтобы заодно была какая-то польза.

барометр-термометр на Си

SPL

/*
На распутье - Ардуино, Cи или Ассемблер?
https://habr.com/ru/post/547752/
*/
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <util/delay.h>
#include "bmp180/bmp180.c"
#include "uart.c"
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "nokia/nokia5110.h"
int main(void) {
serial_init();
DDRD |= (1 << 7); //pin 13, atmega328p
PORTD &= ~(1 << 7);
nokia_lcd_init();
while (1) {
init_sensor(bmp180_mode_0);
calculate();
PORTD |= (1 << 7);
_delay_ms(100);
printf("Temperature: %.2f C, Pressure: %.2f Pa, \n", (float) bmp_180.temperature / 10, (float)bmp_180.pressure);
nokia_lcd_clear();
nokia_lcd_write_string("789",1);
nokia_lcd_set_cursor(0, 10);
nokia_lcd_write_string("22.2", 3);
nokia_lcd_render();
_delay_ms(2000);
PORTD &= ~(1 << 7);
_delay_ms(100);
int a=54325;
char buffer[20];
itoa(a,buffer,2); // here 2 means binary
printf("Binary value = %s\n", buffer);
itoa(a,buffer,10); // here 10 means decimal
printf("Decimal value = %s\n", buffer);
itoa(a,buffer,16); // here 16 means Hexadecimal
printf("Hexadecimal value = %s\n", buffer);
}
return 0;
}

В проект входят следующие компоненты: контроллер ATMEGA328P, модуль давления-температуры BMP180 и дисплей Nokia 3110. ATMEGA328P принимает инфу с датчика BMP180 и после преобразований отображает ее на дисплее Nokia 3110, затем спит. Сон задается сторожевым таймером Watchdog. Проект собирается в Atmel Studio 7 и эмулируется в Proteus 8 Pro. Этот проект Atmel Studio был создан для отладки кода в Proteus'e. В библиотеке Proteus 8 Pro модуля BMP280 нет, поэтому пришлось составить код с включением BMP180. Светодиод в коде — для наглядности, чтобы придать динамику статичной картинке.

Ниже — электрическая схема устройства. При монтаже схемы обращайте внимание на функциональное назначение выводов контроллера и модулей. Подключение кварца — XTAL1, XTAL2 (ATMEGA328P). Уточню, схему барометра-термометра на BMP180 я "в железе" не собирал, поэтому тут могут проявиться проблемы, которые не видны при эмуляции в Proteus'e.

Для скачивания zip-файла проекта в Atmel Studio 7 перейдите по ссылке – тут все виртуальные проекты и коды программ из этой публикации.
Файл прошивки bmp180-nokia3110-watchdog-1.hex для Proteus'а находится в папке Debug. В файле main.c есть закомментированный код барометра-термометра на BMP280. Его электрическая схема такая же, как и у барометра-термометра на BMP180. Он успешно собирается в Atmel Studio 7 и работает "в железе". Для работы "в железе" пришлось внести изменения в строке #define BMP280_ADDR 0x77 файла библиотеки bmp280.c, а именно: заменить начальный адрес 0x77 на 0x76. Не забудьте сделать эту корректировку, если будете использовать в своих проектах код барометра-термометра на BMP280 из main.c, с уже подключенной библиотекой bmp280.c.
Ниже — код этого же барометра-термометра в платформе Arduino IDE. Естественно, с другими библиотеками.

барометр-термометр на Ардуино

SPL

/*
На распутье - Ардуино, Cи или Ассемблер?
https://habr.com/ru/post/547752/
*/
#include <SPI.h>
#include <LowPower.h>
#include <SimpleTimer.h>
#include <Adafruit_BMP280.h>
#include <Adafruit_GFX.h> //https:esp8266.ru/forum/threads/esp8266-5110-nokia-lcd.1143/#post-16942
#include <Adafruit_PCD8544.h> //https:esp8266.ru/forum/threads/esp8266-5110-nokia-lcd.1143/#post-16942
Adafruit_BMP280 bmp280;
float Press, Tin; //давление, температура
Adafruit_PCD8544 display = Adafruit_PCD8544(5, 7, 6);
void setup() {
Serial.begin(9600);
display.begin();
// display.clearDisplay();
display.setContrast(60); // установка контраста
while (!bmp280.begin(BMP280_ADDRESS - 1)) {
Serial.println(F("Could not find a valid BMP280 sensor, check wiring!"));
delay(100);
}
}
void loop() {
// измерение температуры, давления
Tin = bmp280.readTemperature();
Press = bmp280.readPressure() / 133.3;
Serial.println("Temperature: " + String(Tin) + "*C");
Serial.println("Pressure: " + String(Press) + "mm Hq");
display.clearDisplay();
//давление, мм рт.ст.
{
display.setTextSize(1);
display.setCursor(20, 5);
display.println (Press, 0); // нет знаков после запятой
display.setCursor(41, 5);
display.println("mmHq");
}
//температура, *C
{
display.setTextSize(2);
display.setCursor(15, 20);
display.println (Tin, 1); // один знак после запятой
display.setCursor(66, 20);
display.println("C");
}
display.display();
LowPower.powerDown(SLEEP_8S, ADC_OFF, BOD_OFF);
}

Ресурсы, потребляемые программой барометра-термометра на Си и в Arduino IDE наглядно показаны на картинке:

Как видно, эти примеры потребляют 5954 байт (С) и 12956 байт (Arduino IDE) в Flash. Соотношение изменилось с 6-ти раз для «мигалки» до 2-х с небольшим. К сожалению, линейной зависимости нет – чем объемней код, тем меньше соотношение размеров памяти Ардуино к Си. В идеале на этой картинке должен присутствовать 3 столбец с кодом на Ассемблере, но такого кода в Интернете я не нашел, а составить код самому мне не под силу.
Попутно замечу, что использование компилируемых в Arduino IDE библиотек и функций на С/С++ особо имеет смысл в тех случаях, когда размер занимаемой памяти превышает или близок к размеру памяти контроллера. Мне, например, часто удается уходить от предупреждения: Недостаточно памяти, программа может работать нестабильно.

Теперь посмотрим еще один вариант – это цифровой термометр-гигрометр на AM2302 (DHT22), ATtiny13 и MAX7219, код которого составлен на Ассемблере.
Автор статьи задался целью разработать простой термометр-гигрометр выполненном на одном из самых «маленьких» микроконтроллеров — ATtiny13 с весьма скромными характеристиками – 1Кб программной памяти, 64 байтами ОЗУ и 5 интерфейсными выводами. Он решил эту непростую задачку, выбрав Ассемблер, заодно вспомнив те далекие времена, когда код можно было составлять на низкоуровневых языках, используя машины типа ZX-Spectrum.
Ниже скриншот со сборкой данного кода в Atmel Studio 7.

Код устройства на Ассемблере занимает 738 байт памяти в контроллере. Безусловно, программа барометра-термометра, о котором шла речь выше, будь ее код составлен на Ассемблере, заняла бы больше места. По нескольким причинам — в схеме реализовано управление дисплеем Nokia3110 по интерфейсу SPI (это 5 линий связи, тут – 3), связь с датчиком BMP280 осуществляется по протоколу I2C (2 линии, тут – 1) и дополнительные символы, которые позволяют не гадать – температура это или другой параметр.
Из того, что я нашел в Интернете, можно утверждать, Ассемблер даст выигрыш в размере кода для относительно больших проектов процентов 10-20 по сравнению с Си. Но надо учитывать, что в больших проектах Си может уменьшить размер кода за счёт лучшей оптимизации.
Код Ассемблера выполняется практически на машинном уровне: один цикл – одна команда. В качестве аргумента приведу пример из справочника по командам ассемблера AVR. Установка бита в регистре ввода/вывода — SBI A, b. Эта команда устанавливает заданный бит в регистре ввода-вывода. На выполнение этой операции контроллерами megaAVR потребуется 2 цикла и на tinyAVR, XMEGA — 1 цикл. Для схемы с контроллером ATtiny13 и резонатором 9,6 МГц выполнение команды займет один цикл, то есть 1/9600000 Гц = 0,104 мксек.
Выполнение похожей операции на языке Си, например, задать состояние порта — PORTB = 32; займет в этой же схеме не меньше времени. А о Ардуино и говорить нечего – там придется выполнить объемную функцию void digitalWrite(uint8_t pin, uint8_t val);. Подробно о размерах кода в Си и Ардуино читайте тут.
Поэтому разработчики серийных продуктов, как правило, пишут коды на низкоуровневых языках. С тем, чтобы разместить программу в контроллере с меньшей памятью. Тут работают законы экономики — контроллер с меньшими ресурсами стоит дешевле, следовательно себестоимость изделия становится ниже.
Теперь о энергосбережении немножко издали. Вспомним, что код Ассемблера выполняется на машинном уровне: один цикл – одна или несколько команд. в зависимости от типа контроллера. Это — десятые доли микросекунды. То есть, на выполнение программы с размером несколько десятков байт уйдут единицы-десятки микросекунд. Дальше контроллер бесконечно будет крутить этот набор «0» и «1», затрачивая энергию на перезаряд емкости затворов сотен полевых транзисторов, на которых построен кристалл контроллера, а также чтение и записи данных в его память. Длительность периода повтора будет зависеть только от размера кода в памяти контроллера, неважно на каком языке он составлен. Просто на Ассемблере он будет наименьшим, а на Ардуино – наибольшим. Соответственно, период цикла для кода на Ассемблере – наименьший, на Ардуино – наибольший.
Уменьшить эти затраты можно остановив процессор или программно уменьшив частоту его работы. В Ассемблере переход в "спящий" режим сна выполняет функция управления контроллером SLEEP. В других можно использовать функцию WDT (WatchDog Timer), а в Ардуино еще и функцию LowPower.powerDown (SLEEP_1S, ADC_OFF, BOD_OFF), заодно отключив все лишнее, что не используется в конкретной задаче. В эффективности этой функции сможет убедиться каждый, заменив в скетче «мигалки» (скетч — на картинке вначале статьи) функцию отсчета времени delay(1000); этой функцией и включив в разрыв питания контроллера амперметр. Да, не забудьте подключить библиотеку LowPower.h. На Си это сделал автор этой статьи. Ток в цепи питания attiny13a с паузой — 1,5мА, со сном — 240мкА. Потребление в 6(!) раз меньше.
Допустим, вы намерены собрать барометр-термометр и задумываетесь о энергосбережении. Понятно, что давление/температура в заданной разрядности не изменятся за несколько минут, которые для контроллера целая вечность. Ему можно выделить это время для сна. После сна он снова выполнит свою работу: примет информацию с датчика, преобразует в понятные для человека циферки и выведет все это на дисплей. И в таком режиме «работа-сон» он будет крутиться, пока не сядут батарейки. Объем «работы» контроллера, вернее время, которое контроллер будет занят выполнением работы, зависит от того, на каком языке составлена программа барометра-термометра. Если есть возможность загрузить в контроллер код на выбор – ArduinoIDE, C, Assembler, с одинаковым временем «сна», то в каком из трех предложенных вариантов батарейки сядут раньше (позже)? Мой ответ – ArduinoIDE (Assembler).
Кстати, настоятельно рекомендую хотя бы вскользь посмотреть Реальная правда о Программистах ненавидящих Arduino. Поучительный материал. Автор подробно описывает свою историю от первых радостей мигания светодиодом и чуда по тем временам — вывода температуры на дисплей от мобилки до Ардуино с дельными советами.
Так куда же идти? На мой взгляд, для любителей, как я, – это платформа Arduino IDE с низкоуровневыми вставками. Тем же, кому тесно в Ардуино, — в С. Assembler не освоить за несколько месяцев. Да и осваивать не имеет особого смыла — коды на С можно оптимизировать иногда до размеров не намного больше, чем в Ассемблере.
Спасибо за внимание. Всего наилучшего!
Ссылки по теме

===========
Источник:
habr.com
===========
Похожие новости:

Теги для поиска: #_programmirovanie_mikrokontrollerov (Программирование микроконтроллеров), #_elektronika_dlja_nachinajuschih (Электроника для начинающих), #_arduino_ide, #_c/c++, #_assembler, #_atmel_studio_7, #_proteus, #_programmirovanie_mikrokontrollerov (программирование микроконтроллеров), #_programmirovanie_mikrokontrollerov (
Программирование микроконтроллеров
), #_elektronika_dlja_nachinajuschih (
Электроника для начинающих
)

Профиль ЛС

Ответить на тему

Вы не можете начинать темы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете голосовать в опросах
Вы не можете прикреплять файлы к сообщениям
Вы не можете скачивать файлы

Текущее время: 22-Ноя 08:26
Часовой пояс: UTC + 5