Go 语言在极小硬件上的运用（三）

发布于 2024-09-13 13:28:46 字数 12593 浏览 14 评论 0

在本系列的第一和第二部分中讨论的大多数示例都是以某种方式闪烁的 LED。起初它可能很有趣，但是一段时间后变得有些无聊。让我们做些更有趣的事情……

…让我们点亮更多的 LED！

STM32F030F4P6

WS281x LED

WS281x RGB LED（及其克隆品）非常受欢迎。你可以以单个元素购买、链成长条或组装成矩阵、环或其他形状。

WS2812B

它们可以串联连接，基于这个事实，你可以只用 MCU 的单个引脚就可以控制一个很长的 LED 灯条。不幸的是，它们的内部控制器使用的物理协议不能直接适用于你在 MCU 中可以找到的任何外围设备。你必须使用位脉冲bit-banging或以特殊方式使用可用的外设。

哪种可用的解决方案最有效取决于同时控制的 LED 灯条数量。如果你必须驱动 4 到 16 个灯条，那么最有效的方法是使用定时器和 DMA （请不要忽略这篇文章末尾的链接）。

如果只需要控制一个或两个灯条，请使用可用的 SPI 或 UART 外设。对于 SPI，你只能在发送的一个字节中编码两个 WS281x 位。由于巧妙地使用了起始位和停止位，UART 允许更密集的编码：每发送一个字节 3 位。

我在此站点上找到了有关 UART 协议如何适用于 WS281x 协议的最佳解释。如果你不懂波兰语，这里是英文翻译。

基于 WS281x 的 LED 仍然是最受欢迎的，但市场上也有 SPI 控制的 LED： APA102 、 SK9822 。关于它们的三篇有趣的文章在这里： 1 、 2 、 3 。

LED 环

市场上有许多基于 WS2812 的环。我有一个这样的：

WS2812B

它具有 24 个可单独寻址的 RGB LED（WS2812B），并暴露出四个端子：GND、5V、DI 和 DO。通过将 DI（数据输入）端子连接到上一个的 DO（数据输出）端子，可以链接更多的环或其他基于 WS2812 的东西。

让我们将这个环连接到我们的 STM32F030 板上。我们将使用基于 UART 的驱动程序，因此 DI 应连接到 UART 接头连接器上的 TXD 引脚。 WS2812B LED 需要至少 3.5V 的电源。 24 个 LED 会消耗大量电流，因此在编程/调试期间，最好将环上的 GND 和 5V 端子直接连接到 ST-LINK 编程器上可用的 GND 和 5V 引脚：

WS2812B

我们的 STM32F030F4P6 MCU 和整个 STM32 F0、F3、F7、L4 系列具有 F1、F4、L1 MCU 不具备的一项重要功能：它可以反转 UART 信号，因此我们可以将环直接连接到 UART TXD 引脚。如果你不知道我们需要这种反转，那么你可能没有读过我上面提到的文章。

因此，你不能以这种方式使用流行的 Blue Pill 或 STM32F4-DISCOVERY 。使用其 SPI 外设或外部反相器。有关使用 SPI 的 NUCLEO-F411RE，请参见圣诞树灯项目作为 UART + 逆变器的示例或 WS2812 示例。

顺便说一下，大多数 DISCOVERY 板可能还有一个问题：它们在 VDD = 3V 而不是 3.3V 的情况下工作。对于高 DI，WS281x 至少要求电源电压 * 0.7。如果是 5V 电源，则为 3.5V；如果是 4.7V 电源，则为 3.3V；可在 DISCOVERY 的 5V 引脚上找到。如你所见，即使在我们的情况下，第一个 LED 的工作电压也低于规格 0.2V。对于 DISCOVERY 板，如果供电 4.7V，它将工作在低于规格的 0.3V 下；如果供电 5V，它将工作在低于规格 0.5V 下。

让我们结束这段冗长的介绍并转到代码：

package main

import (
    "delay"
    "math/rand"
    "rtos"

    "led"
    "led/ws281x/wsuart"

    "stm32/hal/dma"
    "stm32/hal/gpio"
    "stm32/hal/irq"
    "stm32/hal/system"
    "stm32/hal/system/timer/systick"
    "stm32/hal/usart"
)

var tts *usart.Driver

func init() {
    system.SetupPLL(8, 1, 48/8)
    systick.Setup(2e6)

    gpio.A.EnableClock(true)
    tx := gpio.A.Pin(9)

    tx.Setup(&gpio.Config{Mode: gpio.Alt})
    tx.SetAltFunc(gpio.USART1_AF1)

    d := dma.DMA1
    d.EnableClock(true)

    tts = usart.NewDriver(usart.USART1, d.Channel(2, 0), nil, nil)
    tts.Periph().EnableClock(true)
    tts.Periph().SetBaudRate(3000000000 / 1390)
    tts.Periph().SetConf2(usart.TxInv)
    tts.Periph().Enable()
    tts.EnableTx()

    rtos.IRQ(irq.USART1).Enable()
    rtos.IRQ(irq.DMA1_Channel2_3).Enable()
}

func main() {
    var rnd rand.XorShift64
    rnd.Seed(1)
    rgb := wsuart.GRB
    strip := wsuart.Make(24)
    black := rgb.Pixel(0)
    for {
        c := led.Color(rnd.Uint32()).Scale(127)
        pixel := rgb.Pixel(c)
        for i := range strip {
            strip[i] = pixel
            tts.Write(strip.Bytes())
            delay.Millisec(40)
        }
        for i := range strip {
            strip[i] = black
            tts.Write(strip.Bytes())
            delay.Millisec(20)
        }
    }
}

func ttsISR() {
    tts.ISR()
}

func ttsDMAISR() {
    tts.TxDMAISR()
}

//c:__attribute__((section(".ISRs")))
var ISRs = [...]func(){
    irq.USART1:          ttsISR,
    irq.DMA1_Channel2_3: ttsDMAISR,
}

导入部分

与前面的示例相比，导入部分中的新内容是 rand/math 包和带有 led/ws281x 子树的 led 包。 led 包本身包含 Color 类型的定义。 led/ws281x/wsuart 定义了 ColorOrder 、 Pixel 和 Strip 类型。

我想知道如何使用 image/color 中的 Color 或 RGBA 类型，以及如何以它将实现 image.Image 接口的方式定义 Strip 。但是由于使用了 gamma 校正和大开销的 color/draw 包，我以简单的方式结束：

type Color uint32
type Strip []Pixel

使用一些有用的方法。然而，这种情况在未来可能会改变。

init 函数

init 函数没有太多新颖之处。 UART 波特率从 115200 更改为 3000000000/1390 ≈ 2158273，相当于每个 WS2812 位 1390 纳秒。 CR2 寄存器中的 TxInv 位设置为反转 TXD 信号。

main 函数

XorShift64 伪随机数生成器用于生成随机颜色。 XORSHIFT 是目前由 math/rand 包实现的唯一算法。你必须使用带有非零参数的 Seed 方法显式初始化它。

rgb 变量的类型为 wsuart.ColorOrder ，并设置为 WS2812 使用的 GRB 颜色顺序（WS2811 使用 RGB 顺序）。然后用于将颜色转换为像素。

wsuart.Make(24) 创建 24 像素的初始化条带。它等效于：

strip := make(wsuart.Strip, 24)
strip.Clear()

其余代码使用随机颜色绘制类似于 “Please Wait…” 微调器的内容。

strip 切片充当帧缓冲区。 tts.Write(strip.Bytes()) 将帧缓冲区的内容发送到环。

中断

该程序由处理中断的代码组成，与先前的 UART 示例中的代码相同。

让我们编译并运行：

$ egc
$ arm-none-eabi-size cortexm0.elf
   text    data     bss     dec     hex filename
  14088     240     204   14532    38c4 cortexm0.elf
$ openocd -d0 -f interface/stlink.cfg -f target/stm32f0x.cfg -c 'init; program cortexm0.elf; reset run; exit'

我跳过了 openocd 的输出。下面的视频显示了该程序的工作原理：

让我们做些有用的事情...

在第一部分的开头，我曾问过：“Go 能深入到多低层，而还能做一些有用的事情？”。我们的 MCU 实际上是一种低端设备（8 比特的人可能会不同意我的看法），但到目前为止，我们还没有做任何有用的事情。

所以... 让我们做些有用的事情... 让我们做个时钟！

在互联网上有许多由 RGB LED 构成的时钟示例。让我们用我们的小板子和 RGB 环制作自己的时钟。我们按照下面的描述更改先前的代码。

导入部分

删除 math/rand 包，然后添加 stm32/hal/exti 。

全局变量

添加两个新的全局变量： btn 和 btnev ：

var (
    tts   *usart.Driver
    btn   gpio.Pin
    btnev rtos.EventFlag
)

它们将用来处理那些用于设置时钟的 “按钮”。我们的板子除了重置之外没有其他按钮，但是如果没有它，我们仍然可以通过某种方式进行管理。

init 函数

将这段代码添加到 init 函数：

btn = gpio.A.Pin(4)

btn.Setup(&gpio.Config{Mode: gpio.In, Pull: gpio.PullUp})
ei := exti.Lines(btn.Mask())
ei.Connect(btn.Port())
ei.EnableFallTrig()
ei.EnableRiseTrig()
ei.EnableIRQ()

rtos.IRQ(irq.EXTI4_15).Enable()

在内部上拉电阻pull-up resistor启用的情况下，将 PA4 引脚配置为输入。它已连接至板载 LED，但这不会妨碍任何事情。更重要的是它位于 GND 引脚旁边，所以我们可以使用任何金属物体来模拟按钮并设置时钟。作为奖励，我们还有来自板载 LED 的其他反馈。

我们使用 EXTI 外设来跟踪 PA4 状态。它被配置为在发生任何更改时都会产生中断。

btnWait 函数

定义一个新的辅助函数：

func btnWait(state int, deadline int64) bool {
    for btn.Load() != state {
        if !btnev.Wait(1, deadline) {
            return false // timeout
        }
        btnev.Reset(0)
    }
    delay.Millisec(50) // debouncing
    return true
}

它等待 “按钮” 引脚上的指定状态，但只等到最后期限出现。这是稍微改进的轮询代码：

for btn.Load() != state {
    if rtos.Nanosec() >= deadline {
        // timeout
    }
}

我们的 btnWait 函数不是忙于等待 state 或 deadline ，而是使用 rtos.EventFlag 类型的 btnev 变量休眠，直到有事情发生。你当然可以使用通道而不是 rtos.EventFlag ，但是后者便宜得多。

main 函数

我们需要全新的 main 函数：

func main() {
    rgb := wsuart.GRB
    strip := wsuart.Make(24)
    ds := 4 * 60 / len(strip) // Interval between LEDs (quarter-seconds).
    adjust := 0
    adjspeed := ds
    for {
        qs := int(rtos.Nanosec() / 25e7) // Quarter-seconds since reset.
        qa := qs + adjust

        qa %= 12 * 3600 * 4 // Quarter-seconds since 0:00 or 12:00.
        hi := len(strip) * qa / (12 * 3600 * 4)

        qa %= 3600 * 4 // Quarter-seconds in the current hour.
        mi := len(strip) * qa / (3600 * 4)

        qa %= 60 * 4 // Quarter-seconds in the current minute.
        si := len(strip) * qa / (60 * 4)

        hc := led.Color(0x550000)
        mc := led.Color(0x005500)
        sc := led.Color(0x000055)

        // Blend the colors if the hands of the clock overlap.
        if hi == mi {
            hc |= mc
            mc = hc
        }
        if mi == si {
            mc |= sc
            sc = mc
        }
        if si == hi {
            sc |= hc
            hc = sc
        }

        // Draw the clock and write to the ring.
        strip.Clear()
        strip[hi] = rgb.Pixel(hc)
        strip[mi] = rgb.Pixel(mc)
        strip[si] = rgb.Pixel(sc)
        tts.Write(strip.Bytes())

        // Sleep until the button pressed or the second hand should be moved.
        if btnWait(0, int64(qs+ds)*25e7) {
            adjust += adjspeed
            // Sleep until the button is released or timeout.
            if !btnWait(1, rtos.Nanosec()+100e6) {
                if adjspeed < 5*60*4 {
                    adjspeed += 2 * ds
                }
                continue
            }
            adjspeed = ds
        }
    }
}

我们使用 rtos.Nanosec 函数代替 time.Now 来获取当前时间。这样可以节省大量的闪存，但也使我们的时钟变成了不知道日、月、年的老式设备，最糟糕的是它无法处理夏令时的变化。

我们的环有 24 个 LED，因此秒针的显示精度可以达到 2.5 秒。为了不牺牲这种精度并获得流畅的运行效果，我们使用 1/4 秒作为基准间隔。半秒就足够了，但四分之一秒更准确，而且与 16 和 48 个 LED 配合使用也很好。

红色、绿色和蓝色分别用于时针、分针和秒针。这允许我们使用简单的“逻辑或操作”进行颜色混合。我们 Color.Blend 方法可以混合任意颜色，但是我们闪存不多，所以我们选择最简单的解决方案。

我们只有在秒针移动时才重画时钟。

btnWait(0, int64(qs+ds)*25e7)

上面的这行代码等待的正是那一刻，或者是按钮的按下。

每按一下按钮就会把时钟向前调一调。按住按钮一段时间会加速调整。

中断

定义新的中断处理程序：

func exti4_15ISR() {
    pending := exti.Pending() & 0xFFF0
    pending.ClearPending()
    if pending&exti.Lines(btn.Mask()) != 0 {
        btnev.Signal(1)
    }
}

并将 irq.EXTI4_15: exti4_15ISR 条目添加到 ISR 数组。

该处理程序（或中断服务程序）处理 EXTI4_15 IRQ。 Cortex-M0 CPU 支持的 IRQ 明显少于其较大的同类兄弟处理器，因此你经常可以看到一个 IRQ 被多个中断源共享。在我们的例子中，一个 IRQ 由 12 个 EXTI 线共享。

exti4_15ISR 读取所有挂起的位，并从中选择 12 个更高的有效位。接下来，它清除 EXTI 中选中的位并开始处理它们。在我们的例子中，仅检查第 4 位。 btnev.Signal(1) 引发 btnev.Wait(1, deadline) 唤醒并返回 true 。

你可以在 Github 上找到完整的代码。让我们来编译它：

$ egc
$ arm-none-eabi-size cortexm0.elf
   text    data     bss     dec     hex filename
  15960     240     216   16416    4020 cortexm0.elf

这里所有的改进只得到 184 个字节。让我们再次重新构建所有内容，但这次在 typeinfo 中不使用任何类型和字段名：

$ cd $HOME/emgo
$ ./clean.sh
$ cd $HOME/firstemgo
$ egc -nf -nt
$ arm-none-eabi-size cortexm0.elf
   text    data     bss     dec     hex filename
  15120     240     216   15576    3cd8 cortexm0.elf

现在，有了千字节的空闲空间，你可以改进一些东西。

我不知道我是怎么精确打到 3:00 的！？

以上就是所有内容！在第 4 部分（本系列的结束）中，我们将尝试在 LCD 上显示一些内容。

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