Od společnosti Freescale Semiconductor jsem dostal na testování vývojovou desku, pojmenovanou jako KWIKSTIK s novou řadou mikrokontrolérů Kinetis K40. Ta mimo velmi netypického provedení z pohledu tvaru a zapouzdření nabízí i velmi širokou nabídku podpůrných prostředků pro vývoj a následné testování mnoha různých aplikací. Jako vítaný pomocník může být i s deskou dodávaný zdrojový kód demo softwaru, který již ve zjednodušené podobě realizuje digitální záznamník zvuku, dálkové ovládání, USB myš a hru typu Tetris. To je umožněno díky (na desce přítomným) USB výstupům, LCD displeji, 6 kapacitním dotykovým tlačítkům, mikrofonu a sluchátkovému výstupu, infračervenému vysílači a akumulátoru, díky němuž lze po jeho nabití desku provozovat i bez připojení na USB, ze kterého je jinak napájena.

Co jsou to MCU Kinetis?

Pod označením Kinetis se v nabídce společnosti Freescale nachází 32bitové, 32 až 256pinové výkonné mikrokontroléry s CPU jádrem ARM Cortex-M4, doplněné širokou výbavou dalších periférií, vhodné nejen pro potřeby spotřební elektroniky, ale i průmyslu.

Portfolio MCU Kinetis aktuálně zahrnuje širokou nabídku již 6 řad - typů, označených jako K10, K20, K30, K40, K50 a K60, vzájemně se lišících výbavou periférií, velikostí paměti a výkonem. Na konci tohoto roku pak bude ještě následovat typ K70. Všem je však společné ARM jádro Cortex-M4 a nízký příkon i spotřeba. Také díky ní bylo možné řešit napájení vývojové desky KWIKSTIK jen pomocí standardního USB portu PC. Další společnou vlastností je nový typ interní beznapěťové paměti (non-voltage memory), využívající 90 nm technologii TFS (Thin Film Storage) s unikátním systémem FlexMemory. Ten umožňuje konfigurovat část paměti jako EEPROM nebo jako Flash.

Více obecných informací najdete v článcích kolegy Robenka: "Mikrokontroléry řady Kinetis – od K10 až po K60 (1. část)" a "Mikrokontroléry řady Kinetis – od K10 až po K60 (2. část)"

Mikrokontroléry Kinetis K40

Na dále popisované vývojové desce KWIKSTIK se konkrétně nachází 100 MHz MCU Kinetis řady K40. Je pinově, softwarově a také perifériemi kompatibilní s výchozími mikrokontroléry řady K10. Také obsahuje analogové, komunikační a řídicí periferie, FlexMemory, NAND Flash řadič a výpočetní jednotku s plovoucí řádovou čárkou, ale navíc přidává Full-speed USB 2.0 On-The-Go, podpůrný optimalizační blok USB Charger Detect v sekci komunikace a rovněž i flexibilní kontrolér pro LCD s podporou až 320 segmentů. Pokud jde o paměťový prostor, pohybujeme se od 64 kB Flash v rámci 64vývodového pouzdra typu QFN až po 512 kB (144MAPBGA). Jako přídavek ani zde nechybí bohatě vybavené periferní systémy – analogové, komunikační, časovací i řídicí struktury, např. až dva vysokorychlostní A/D převodníky s 16bitovým (konfigurovatelným) rozlišením, až dva 12bitové D/A převodníky, např. pro generování průběhů v audio aplikacích, tři komparátory, dva zesilovače s programovatelným zesílením (x64), napěťová reference aj.

Vývojová deska KWIKSTIK

Jak již bylo zmíněno v úvodu, vývojová a prezentační deska KWIKSTIK byla společností Freescale vyvinuta primárně pro vývoj, návrh a prezentaci aplikací pro MCU Kinetis K40 bez potřeby vyvíjet a jakkoliv se zabývat hardwarem. Je tedy možné se hned vrhnout na vývoj softwaru. To, že je zde rovněž kladen důraz na prezentaci a snadnou manipulaci s deskou, je jasné již při letmém pohledu. Deska KWIKSTIKu je totiž dodávána „zasazená“ v elegantním oranžovém gelovém pouzdru, ze kterého jen vykukují připojovací konektory, displej a hlavní vypínač.

Pro tyto účely pak byl KWIKSTIK mimo samotné 100 MHz MCU Kinetis K40X256VLQ100 s 256 kB Flash paměti a 256 kB FlexMemory, podporou LCD a USB dále vybaven následujícími prostředky (hardwarem):

• 306bodový monochromatický LCD displej bez podsvícení
• 2x 3 kapacitní dotyková tlačítka po stranách
• elektretový mikrofon
• 3,5“ Jack výstup na sluchátka
• slot pro mikroSD karty
• mikroUSB konektor pro J-LINK komunikaci
• mikroUSB konektor pro komunikaci s MCU K40
• lithiová akubaterie
• vypínač napájení
• tzv. Tower plug-in (TWRPI) socket pro propojení s dalšími deskami
• infračervený optický vysílač

Komunikaci J-Link pak realizuje na desce umístěné zvláštní MCU s naprogramovaným komunikačním softwarem. Při programování desky KWIKSTIK z pohledu nahrávání programu do desky, tedy do MCU Kinetis K40, je možné využít buď služby vývojového prostředí / softwaru společnosti Freescale CodeWarrior for MCU 10.1 a připojení desky k PC prostřednictvím mikroUSB J-LINK komunikace či pomocí vývojového softwaru společností IAR, Keil či Green Hills a připojení MCU K40 přímo k PC přes druhou USB linku.

Základní přehled výbavy desky KWIKSTICK

Z pohledu realizace samotné aplikace pro KWIKSTIK je pak pro oba zmíněné vývojové softwary k dispozici „doplňková výbava“, která je dostupná po registraci na webových stránkách Freescale. Ta se po stažení a spuštění instalace do nich „nahraje“. Při zahájení vytváření nového projektu pak lze již vybrat KWIKSTIK desku z nabídky podporovaného hardwaru, čímž se Vám do projektu již automaticky přidají volání knihoven a podprogramů, realizujících ovládání periférií na desce. Ve výsledku tak jen voláte tyto již Freescalem vytvořené funkce a předáváte jim potřebná data a tedy se nemusíte například zabývat detailním programováním zobrazení znaků na LCD displeji, protože to je již předvytvořené. A nakonec tu je ještě možnost využít služeb real-time operačního systému MQX 3.7, též z dílen Freescale.

Operační systém MQX 3.7

RTOS MQX 3.7 je jednoduchým operačním systémem pro 32bitová MCU, který programátorovi poskytuje možnosti využití zajímavých a dost složitých funkcí bez potřeby jejich programování. Například v případě MCU Kinetis K40 a vývojové desky KWIKSTIK lze z praktického pohledu jmenovat ovládání MCU pomocí příkazové řádky z terminálu, využívat služeb USB komunikace, přístup a správu souboru na microSD kartě zasunuté ve slotu, převod a ukládání zvuku z mikrofonu do souboru a jeho zpětné přehrání apod. Tedy všechny, jinak na programování již dost náročné, periférie a aplikace.

Obecně jádro tohoto RTOS je založeno na komponentové architektuře mikrokernelu, umožňující přizpůsobit jeho velikost, vlastnosti a rychlost prostřednictvím navolení komponent, které pro danou aplikaci jsou potřeba a tím optimalizovat zatížení MCU a využití paměti. Celkem RTOS MQX zahrnuje 25 komponent, kde 8 komponent tvoří samotné jádro RTOS a zbylých 17 komponent je volitelných. Komponenty jsou slinkovány pouze pokud jsou potřeba, což umožňuje vyloučení nepoužívaných funkcí, aby zbytečně nezabíraly místo v paměti. Například jej lze nakonfigurovat již pro malou 12 kB ROM a 2,5 kB RAM paměť, přičemž obsahuje kernel, 2 task aplikace, 1 semafor, zásobník přerušení, fronty a správu paměti.

MQX je skutečný real-time hardwarově zaměřený operační systém. To znamená, že jednotlivé funkce se vykonávají na základě jejich stanovené priority. Pokud je funkce s vyšší prioritou připravena k běhu, je v co nejkratším čase zahájeno její vykonávání CPU přednostně proti funkci s nižší prioritou. Ta musí čekat. Funkce s nejvyšší prioritou pak nelze ani přerušit a vždy se čeká na jejich dokončení. Tento přístup, známý jako prioritně založené plánování (priority-based preemptive scheduling), umožňuje velmi prioritní funkce programu vykonat bezodkladně a nezávisle na počtu dalších funkcí, které „bojují“ u CPU o čas. Optimalizovaný kód při překladu pak zrychluje běh RTOS, například přepínání obsahu. Vylepšený a také zrychlený je i plánovací systém (Scheduling), který je potřebný při používání komunikačních protokolů typ USB nebo TCP/IP. Vše doplňuje na rychlost optimalizovaná bootovací sekvence, zajišťující rychlý rozběh hardwaru a aplikace po resetu.

Při vývoji programů pod RTOS MQX se pak využívá jednoduché API, využitelné pro MCU a CPU napříč celým sortimentem Freescale. Je tak nutné „jen“ vhodně pracovat s výrobcem poskytovanou dokumentací, popisující všechny API.

Součástí MQX RTOS je pak i CodeWarriorem podporovaný souborový systém MFS (MQX File System), kompatibilní s Windows a MS-DOS soubory. Umožňuje formátování, čtení, zápis a kopírování souboru s jiným OS využívající FAT souborový systém. Podporuje tak použití různých datových médií, jako USB Flash či SD karty. MFS je integrován s FTP serverem a Mass Storage Class Driver v USB Host Stacku. Zároveň MFS také zahrnuje TFS systém (Trivial File System), který lze využít v http aplikacích, vyžadujících pouze čtení.

RTOS MQX 3.7 však není standardní součástí např. vývojového softwaru CodeWarrior, ale je nutné jej stáhnout ze stránek Freescale zvlášť a poté jej nainstalovat na PC. V případě přítomnosti CodeWarrioru se pak do něj již sám integruje. Je také ale poskytována podpora pro jiné vývojové softwary, jako jsou IAR 6.1X či IAR 6.2X nebo nejnověji i Keil µVision. V případě CodeWarrioru je pak již při zakládání nového projektu možné vybrat MQX 3.7 a zatrhnout prostředky, které budete chtít využívat, čímž se již do projektu „natáhnou“ odkazy na jeho soubory, potřebné pro budoucí překlad.

DEMO program pro KWIKSTIK

Aby se začátek práce uživatelům a programátorům více usnadnil, připravil Freescale již základní demo program, využívající RTOS MXQ 3.7 a současně ukazující základní možnosti desky. Mimo to pak dále může dobře posloužit jako počáteční startovní pozice výuky práce s KWIKSTIKEM a obecně MCU Kinetis K40 a také jako šablona pro vývoj složitějších aplikací. Demo program obsahuje několik režimů, kterými umožňuje nahrání několika sekund zvuku z mikrofonu do vnitřní paměti MCU a následné přehrání, chovat se jako dálkový ovladač, po připojení přes USB do PC pracovat jako myš nebo si zahrát pomocí tlačítek a LCD displeje hru „FreTris“ (obdoba Tetrisu).

Demo program je již při dodání uložen v KWIKSTIKU, takže po jeho vybalení a zapnutí se ihned zprovozní. Výhoda je, že nový uživatel okamžitě vidí, že „to něco dělá“. Zdrojový kód si však lze také stáhnout z webu Freescale, ze stránek produktu, a spuštěním exe souboru se sám „zařadí“ do adresáře RTOS MQX 3.7. Můžeme jej následně otevřít například v CodeWarrioru, přeložit a nahrát do desky.

Závěrem…

Toto byl jen velmi stručný popis vývojového a prezentačního kitu KWIKSTIK a možností jeho programování. V dalších článcích se proto k programování desky, resp. MCU Kinetis K40, vrátíme podrobněji, blíže popíšeme zdrojový kód poskytovaného demo softwaru a ukážeme si detailněji některé možnosti KWIKSTIKU i jeho programování softwarem CodeWarrior.

DOWNLOAD & Odkazy

• Stránky výrobce, společnosti Freescale Semiconductor - www.freescale.com
• Přímý odkaz na stránky o kitu KWIKSTICK - www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_s....
• Přímý odkaz na stránky o RTOS MQX - www.freescale.com/webapp/sp....
• Přímý odkaz na stránky o vývojovém prostředí CodeWarrior for MCU - www.freescale.com/webapp/sps...
• Seriál článků o MCU Kinetis:
  • Mikrokontroléry řady Kinetis – od K10 až po K60 (1. část)
  • Mikrokontroléry řady Kinetis – od K10 až po K60 (2. část)
• Další články najdete na stránkách serveru www.HW.cz