Ca în toate lucrările de inginerie, bug-uri pot și vor apărea si în sisteme incorporate. În condiții de funcționare, este important să avem o modalitate de comunicare cu dispozitivul integrat. Pentru o imagine de ansamblu asupra metodelor de depanare posibile, vom face o scurtă introducere, apoi vom studia în detaliu interfața serială USART, folosită în mod uzual pentru comunicația serială dintre două dispozitive.

Motivul pentru care depanarea embedded este mai dificilă decât depanarea obișnuită a software-ului provine din mai multe probleme:

• Sistemele embedded sunt mult mai complicat de depanat deoarece produsele dedicate debugging-ului hardware (Software, IDE, Lauterbach, etc) sunt mult mai scumpe si greu de folosit decat depanarea software.
• Folosirea unui debugger generic (ex. Remote GDB) vine la pachet cu o serie de probleme ce pot aparea. Debuggerele generice necesita o stiva de retea conforma cu hardware-ul folosit. Chiar daca am implementa o astfel de stiva , nu putem fii siguri ca aceasta functioneaza perfect si ar necesita foarte mult timp.
• Chiar dacă ați avut un debugger specializat (de exemplu, o sondă Lauterbach), cel mai probabil veți avea nevoie de configurații specializate pentru debugger, pentru a lucra cu hardware-ul vostru (de exemplu, Practice Scripting Language for Lauterbach T32)
• Depanarea invazivă poate afecta comportamentul codului vostru - gândiți-vă la RTOS (sisteme de operare în timp real), SMP (sisteme multiprocesor) sau la circuitul dvs. (de exemplu, modificați circuitul pentru a măsura intensitatea curentului).
• Hardware-ul in fazele incipiente pot avea erori de proiectare ceea ce influenteaza procesul de debug.
• Chiar și tipărirea mesajelor de eroare ar putea să nu funcționeze, deoarece uneori trebuie să implementați o astfel de funcție și ar putea avea bug-uri în sine.

Cu toate acestea, principiile de debugging sunt aceleasi ca si în cazul software-ul de nivel înalt: Trebuie sa comparați ce se dorește de la sistem (cod / circuit) cu ceea ce, de fapt, face si, pentru asta, ai nevoie de vizibilitate.

Vizibilitatea la nivel hardware se realizează printr-o formă de InputOutput (dacă este disponibilă):

• Depanare LED - verificarea stării true/false
• mesaje pe interfața serială / USART - depanare prin USART, bluetooth, etc
• Debuggere avansate pentru afisarea si modificarea memoriei / registrelor (a se vedea JTAG de mai jos)
• Loopbacking (conectarea ieșirilor la intrări) poate oferi informații despre modul în care comenzile sunt trimise dispozitivelor externe.

Instrumente de măsurare:

• Multimetre (pentru valori statice)
  • Rezistență: Doar conectați o componentă de circuit între sonde.
  • Tensiune: conectați în paralel - sonda pozitivă (roșie) la punctul potențial mai mare, sonda negativă (neagră) la punctul potențial mai mic. Pentru potențialul într-un singur punct: sonda negativă la GND, sonda pozitivă în punctul dorit.
  • Curent: Conectați multimetrul în serie cu circuitul pe care doriți să-l verificați.. Trebuie să plasați sonda roșie pe cablul unei componente și sonda neagră pe următorul conductor. Multimetrul acționează ca și cum ar fi fost un fir în circuitul tău. Dacă deconectați multimetrul, circuitul nu va funcționa.
  • Începeți întotdeauna prin a seta scara multimetrului la maxim, apoi corectați progresiv scara până când aveți cea mai precisă măsurare.
  • Pentru a verifica polaritatea diodelor: Selectați verificare diodă. Daca plasați sonda negativă pe anod și sonda pozitivă pe catod, multimetrul va face un sunet.
  • Pentru a verifica scurtcircuite/conectivitate: Utilizați verificare diodă – daca aparatul emite un sunet atunci înseamnă că există un scurtcircuit/conexiune între acele două puncte.

• Osciloscop
• Analizoare logice (pentru semnale digitale)
• Analizoare de protocol (pentru protocoale încorporate, ar fi I2C, SPI, etc)
• Debuggere bazate pe JTAG - pot avea funcții foarte avansate: citire/modificare memorie, interoperarea cu kernelul, oprire ceas sistem, etc

Un exemplu de flux de depanare ar putea fi următorul:

• Verificați de două ori datasheet-ul și schema. Verificati daca accesati registrele potrivite. O alta probleme poate fii conectarea gresita dintre periferice si pini.
• In prima faza verificam daca este posibila depanarea folosind mesaje de debug.
• Daca ai o stiva ethernet poti lua in considerare folosirea SSH, NFS, etc pentru a folosii depanarea prin mesaje.
• In cazul in care avem o stiva de retea , verificam daca avem acces la protocoale mai simple precum UART. Testam conectand prin UART un periferic de exemplu un PC, modul Bluetooth, LCD , etc.
• De asemenea in anumite cazuri de probleme hardware , putem folosii si depanarea prin LED-uri.
• Izolați problema folosind instrumente de măsura: multimetre, osciloscoape, analizoare logice.
• Daca dorim sa izolam o problema hardware , folosim instrumente de masura: multimetrul, osciloscopul, analizor logic.
• In cazul in care stim ca dispozitivul nostru este compatibil cu debuggere hardware, de exemplu JTAG , Lauterbach, etc, este de multe ori cea mai eficienta metoda de debug.

Interfața serială este cel mai facil mod de a comunica cu microcontroller-ul vostru pentru citirea de date sau trimiterea de comenzi. Din perspectiva microcontroller-ului, comunicația serială se bazează pe doar două linii de date:

• linie pentru transmisie, notată Tx,
• linie pentru recepție, notată Rx.

Comunicația este full-duplex, se poate transmite concomitent cu recepția.

Transmisia asincronă de date se face la nivel de cadre (frames), fiecare cadru fiind format din mai mulți biți, având formatul descris în figură.

Se transmite un bit de start, apoi un cuvânt de date. Urmează un bit de partitate, opțional, cu rolul de a face o verificare simplă a corectitudinii datelor, și unul sau doi biți de stop.

Microcontroller-ul ATmega324p include doua periferice USART (Universal Synchronous-Asynchronous Receiver/Transmitter) pentru interfața serială. În partea de inițializare a acestui periferic trebuie efectuați următorii pași:

• alegerea vitezei pentru transmisia de date - baud rate-ul (valori uzuale: 9600, 19200, 38400, 57600, 115200)
• alegerea formatului cadrului (câți biți de date, de stop, dacă va conține sau nu bit de partitate)
• activarea transmisiei și recepției datelor pe liniile RX și TX.

RXB și TXB sunt buffer-ele de recepție, respectiv transmisie. Ele folosesc aceeași adresă de I/O. Deci RXB este accesat citind din UDRn, TXB scriind în UDRn. Buffer-ul de transmisie poate fi scris numai atunci când bitul UDRE (USART Data Register Empty) din portul UCSRnA este 1. În caz contrar, scrierile vor fi ignorate.

UCSRnA este registrul de stare al controller-ului de comunicație. Biții cei mai importanți sunt:

• RXCn – Receive Complete – devine 1 când există date primite și necitite. Când buffer-ul de recepție este gol, bitul este resetat automat
• TXCn – Transmit Complete – devine 1 când buffer-ul de transmisie devine gol
• UDREn – Data Register Empty – devine 1 când buffer-ul de transmisie poate accepta noi date

UCSRnB este un registru de control. Biții importanți:

• RXCIEn – Receive Complete Interrupt Enable – când este 1, controller-ul de comunicație va genera o întrerupere când au fost primite date
• TXCIEn – Transmit Complete Interrupt Enable – când este 1, controller-ul de comunicatie va genera o întrerupere când buffer-ul de transmisie devine gol
• UDRIEn – Data Register Empty Interrupt Enable – când este 1, controller-ul de comunicație va genera o întrerupere când buffer-ul de transmisie mai poate accepta date
• RXENn – Receiver Enable – dacă este 0, nu se pot recepta date
• TXENn – Transmitter Enabler – dacă este 0, nu se pot transmite date
• UCSZn2 – împreună cu UCSZ1 și UCSZ0 din portul UCSRC, selectează dimensiunea unui cuvânt de date

UCSRnC este tot un registru de control. Biții importanți:

• UMSELn – Mode Select – 0 pentru funcționare asincronă, 1 pentru funcționare sincronă
• UPMn1, UPMn0 – Parity Mode - Fiind vorba de doi biți, împreună pot avea 4 valori posibile, detaliate în tabelul ce urmează:

• USBSn – Stop Bit Select – 0 pentru un bit de stop, 1 pentru doi biți de stop

• UCSZn1, UCSZn0 – împreună cu UCSZn2 din portul UCSRnB, selectează dimensiunea cuvântului de date

UBRRn este registrul care selectează baud rate-ul. Are 12 biți. Primii 4 se află în UBRRnH, ceilalți 8 în UBRRnL. Valoarea pe care o scriem în UBRRn depinde de frecvența procesorului și de baud rate-ul dorit. Tabelul de mai jos este folosit pentru clock-uri de 8Mhz, 11.0592MHz si 14.7456MHz, in cazul placii noastre, clock-ul este de 12MHz , putem cauta valoarea pentru baud rate aici, sau o putem calcula folosind formula: (F_CPU/(UART_BAUD_RATE*16)-1) Unde F_Cpu este frecventa clock-ului, UART_BAUD_RATE este ales de noi (ex. 4800, 9600, 14400).

void USART0_init(unsigned int baud_rate)
{
  /* seteaza baud rate */
  UBRR0H = (unsigned char)(baud_rate>>8);
  UBRR0L = (unsigned char)baud_rate;
 
  /* porneste transmitatorul */
  UCSR0B = (1 << TXEN0) | (1 << RXEN0);
 
  /* seteaza formatul frame-ului: 8 biti de date, 2 bit de stop, fara paritate */
  UCSR0C = (1<<USBS0)|(3<<UCSZ00);
}
 
void USART0_transmit(unsigned char data) {
    /* așteaptă până când buffer-ul e gol */
    while(!(UCSR0A & (1<<UDRE0)));
 
    /* pune datele în buffer; transmisia va porni automat în urma scrierii */
    UDR0 = data;
}
 
char USART0_receive()
{
  /* asteapta cat timp bufferul e gol */
  while (!(UCSR0A & (1 << RXC0)));
 
  /* returneaza datele din buffer */
  return UDR0;
}

(3 << x)

Pentru biți de configurație care se găsesc întotdeauna unul după altul se folosește și o mască cu mai mulți biți shiftați cu index-ul celui mai din dreapta: (3 << UCSZ00) înlocuiește astfel (1 << UCSZ01) | (1 << UCSZ00)

(1 << x) | (1 << y) De cele mai multe ori o să facem măști compuse, pe care le vom aplica unui registru I/O în același timp. Atenție! Pot doar să compun măști pentru aceeași operație, nu pot aplica o mască SAU în același timp cu o mască ȘI pentru că rezultatul ar fi complet eronat!

Schelet

Task 1

Folosind scheletul de laborator configureaza USART0 cu urmatorii parametrii : baud rate 28800, 8 biti de date, 2 bit de stop, fara paritate. Transmiteti catre PC mesajul “Butonul 1 a fost apasat” daca butonul 1 (PB2) este apasat.

board_build.f_cpu = 12000000L

monitor_speed = 28800

Task 2

Folosind scheletul de laborator, implementeaza o noua functie USART_exec(unsigned char command) care sa accepte urmaorele comenzi venite pe USART:

• “on” – aprinde led-ul rgb in culoarea alba
• “off” – stinge legul rgb
• “red”, “green”, “blue” – seteaza culoarea led-ului indicata de text

Pentru a controla ledul RGB aveti urmatorii pini:

• Red - PD5
• Green – PD7
• Blue – PB3

Task 3

Trimiteti numele vostru prin interfata seriala si folosind “morse_alphabet” din scheletul de laborator si buzzerul , generate codul morse aferent acestuia.

Bonus

Implementeaza un semafor controlat pe USART. Foloseste ledul RGB de la Task-ul 1. Culoarea led-ului va fii in permanenta rosie , pana mesajul “pieton” va fii primit pe USART. Cand mesajul este primit, se va seta culoarea galbena pentru 2 secunde , dupa aceasta , culoarea verde pentru 5 secunde , revenindu-se la culoarea rosie pana la primirea unui mesaj nou. In cazul in care se va primii un alt mesaj inafara de “pieton”, se va trimite pe USART mesajul “request incorect”. In timpul executiei comenzii de schimbare a culorilor , mesajele pe USART vor fii ignorate.