Dragoş-Ronald RUGESCU - PC AVR

Autorul poate fi contactat la adresa: Login pentru adresa

Introducere

Scop

Scopul proiectului curent este de a folosi cunoștințele dobândite atât în anii precedenți cât și la cursul de PM pentru a le integra într-un dispozitiv cât de cât complet din punct de vedere arhitectural, și anume un mini-PC embedded folosind microcontrollere AVR.

Dispozitivul trebuie să fie capabil de General Purpose computing (deci să nu fie construit specific pentru un task), să aibă intrări și ieșiri human-friendly (monitor prin intermediul unui conector VGA și tastatură prin intermediul PS/2).

Deasemenea, calculatorul trebuie să poată să funcționeze independent de un alt device extern (excepție făcând programarea sa) și ca atare să aibă stocare suficientă, de preferat prin card micro-SD, să aibă posibilitatea să țină timpul chiar și atunci când este oprit (RTC) și să aibă și un mic difuzor. Notabilă este lipsa conectivității ETHERNET/Wi-Fi care în condițiile constrângerilor de timp extreme nu a fost fezabil de proiectat.

Ideea inițială

Ideea a pornit de la motivul pentru care studiez calculatoarele și sunt fascinat de ele, și anume calculatorul în sine, ideea de device de computație pe care să îl pot înțelege cap-coadă și să îl pot fabrica și programa, ca obiect integrator al cunoștințelor mai mult sau mai puțin utile învățate în această facultate. Având în vedere revoluția DIY, am dorit să construiesc un PC cât mai de bază și cu toate acestea cu utilitate maximă pe care să îl pot folosi pe bune, fără alt calculator, sau debugging serial urât sau butonașe pe care să nu pot tasta nimic complex.

De asemenea, o influență mare o are o altă idee personală de a dezvolta un mini-laptop bazat pe AVR sau ARM Cortex M0+ pentru EECS hacking, capabil atât de computație generală, cât de cât limitată, cât și de interfațare complexă cu elemente electrice externe, de la semiconductori, la motoare, la cabluri seriale/telefonice/ethernet, etc, totul într-un pachet self-contained de dimensiuni sub 10 țoli, portabil. Consider că un astfel de dispozitiv, care poate crește din acest proiect cu integrarea unui monitor, a unei baterii și a unei tastaturi, poate fi foarte util și în acest moment, nu există pe piață ca produs complet și poate fi construit doar cu multă bătaie de cap, folosind de exemplu un PI (Raspberry/Banan) cu ecran, tastatură, baterie și multe fire, care nicidecum nu ar fi la fel de portabil.

De ce este util

De ce este orice lucru construit pe această lume util? În primul rând, la nivel personal, pentru a valida utilitatea unor ani petrecuți în facultăți (6+) printr-un proiect practic, cât de cât complet.

De ce este util pentru alții? Pentru că acest domeniu al Calculatoarelor este atât de extins încât după ani și ani de studii, mulți se găsesc în poziția de a le lipsi cunoștințe absolut esențiale despre ce înseamnă un calculator. Pot să fie programatori excelenți de C++ sau Haskell sau Java și să nu aibă habar ce e un protocol de comunicație, să știe ce e o celulă SRAM, dar să nu înțeleagă un pointer sau Garbage Collection, sau să știe ce înseamnă o interconectare crossbar dar să nu înțeleagă ce e un registru. Cred că un astfel de proiect este deasemenea util pentru a demonstra că un sistem de computație complex și cât de cât complet poate fi orice și din orice, inclusiv din niște amărâte de microcontrollere cu câțiva Kb de memorie.

Pe de altă parte, dă și un pic de bragging rights: Hei, am proiectat, construit și programat un calculator de la zero (aproape).

Descriere generală

Schema Bloc

Funcționare

Având în vedere faptul că outputul VGA (bit-banging practic) va ține ocupat procesorul foarte mult timp, am decis ca acest aspect să fie managed de câtre un microcontroller separat pe post de GPU care sa primească comenzi de la CPU pentru afișare pe ecran prin UART, prin intermediul unui protocol propriu. Astfel, se eliberează CPU-ul pentru alte aspecte, de management al input-ului (tastatură PS/2), al stocării hard (card microSD), al ceasului RTC și bineînțeles al logicii interne a sistemului de operare care va putea executa programe stocare pe hard.

Întrucât era mai simplu de interfațat cardul SD cu procesorul, am decis ca acesta să fie pe 3.3V și GPU pe 5V, celelalte dispozitive fie comunicând direct, fie necesitând level-shifting.

VGA, conform protocolului, necesită valori ale tensiunii de circa 0.7V pe ieșirile RGB și a fost nevoie de divizoare de tensiune. Pentru celelalte cazuri când divizoarele de tensiune nu puteau urca tensiunea, am folosit MOSFEȚI N2700 (în principiu pentru shiftare 3.3V → 5V). Deși am permis output pe 3-biți de culoare (pentru un total de 8 culori RGB), datorită constrângerilor de timing am ales să afișez exclusiv monocrom pe un monitor extern.

Totodată, datorită timing-ului constrâns, am ales ca GPU-ul să aibă un clock extern de 20MHz pentru a permite afișarea a cât mai multor linii. CPU-ul este pe 16MHz.

RTC-ul comunică prin I2C cu o linie adițională de întreruperi și este conectat la o baterie CR de 12 milimetri pentru funcționare continuă pe o perioadă de ani de zile chiar și în lipsa alimentării.

PS/2, conform protocolului, este pe 5 volți, tip I2C.

Speaker-ul nu a necesitat amplificator, și s-a conectat direct la OC1B.

Atât alimentarea cât și programarea se fac prin cablu micro-USB care este conectat la un modul FTDI ce convertește în semnal serial care apoi este demultiplexat prin jumperi (SELECTOR pe schema bloc) pentru a putea alege microcontrollerul programat la un anume moment.

Programarea se poate face și prin intermediul a 2 serii de jumpere ICSP, câte unul pentru fiecare microcontroller.

Pentru debugging, s-au scos de pe placă și două serii de pini seriali, câte unul pentru fiecare microcontroller.

Hardware Design

Scheme electrice

Design-ul plăcii

Listă de piese

Piesă Valoare Bibliotecă Formă Descriere
C3 22pF C-EUC0603 C0603 CAPACITOR, European symbol
C4 22pF C-EUC0603 C0603 CAPACITOR, European symbol
C5 100uF CAP_POL1206 EIA3216 Capacitor Polarized
C6 10uF CAP_POL1206 EIA3216 Capacitor Polarized
C7 100nF C-EUC0603 C0603 CAPACITOR, European symbol
C8 0.47uF CAP0603-CAP 0603-CAP Capacitor
C9 100nF C-EUC0603 C0603 CAPACITOR, European symbol
C10 100nF C-EUC0603 C0603 CAPACITOR, European symbol
C11 22pF C-EUC0603 C0603 CAPACITOR, European symbol
C12 22pF C-EUC0603 C0603 CAPACITOR, European symbol
C17 33uF CPOL-EUC PANASONIC_C POLARIZED CAPACITOR, European symbol
C20 22pF C-EUC0603 C0603 CAPACITOR, European symbol
C21 22pF C-EUC0603 C0603 CAPACITOR, European symbol
C22 100nF C-EUC0603 C0603 CAPACITOR, European symbol
C23 100nF C-EUC0603 C0603 CAPACITOR, European symbol
C28 0.1uF C-EUC0603 C0603 CAPACITOR, European symbol
CPU3V3 ATMEGA1284P-AU ATMEGA1284P-AU QFP80P1200X1200X120-44N Microcontroller with Programmable Flash
D1 Led Tx CPU→GPU LED0603 LED-0603 LEDs
D2 LedPWR LED0603 LED-0603 LEDs
D3 TXLED LED0603 LED-0603 LEDs
D4 RXLED LED0603 LED-0603 LEDs
F2 PTC0603 PTC0603 0603 Resettable Fuse PTC
FTDI_SEL MA03-2 MA03-2 PIN HEADER
GPU5V ATMEGA324A-AU ATMEGA324A-AU QFP80P1200X1200X120-44N 8-bit Atmel Microcontroller
JP4 UART CPU PINHD-1×2 1×02 PIN HEADER
JP5 UART GPU PINHD-1×2 1×02 PIN HEADER
JP6 USB USB ZX62D-B-5PA8 USB Connectors
JPCPU ICSP CPU PINHD-2×3 2×03 PIN HEADER
JPGPU ICSP GPU PINHD-2×3 2×03 PIN HEADER
MOSFET_CPUCOMM MOSFET-NCHANNEL2N7002PW MOSFET-NCHANNEL2N7002PW SOT323 Common NMOSFET Parts
MOSFET_FTDI_RXGPU MOSFET-NCHANNEL2N7002PW MOSFET-NCHANNEL2N7002PW SOT323 Common NMOSFET Parts
MOSFET_FTDI_TXGPU MOSFET-NCHANNEL2N7002PW MOSFET-NCHANNEL2N7002PW SOT323 Common NMOSFET Parts
MOSFET_PS2C MOSFET-NCHANNEL2N7002PW MOSFET-NCHANNEL2N7002PW SOT323 Common NMOSFET Parts
MOSFET_PS2D MOSFET-NCHANNEL2N7002PW MOSFET-NCHANNEL2N7002PW SOT323 Common NMOSFET Parts
MOSFET_SCL MOSFET-NCHANNEL2N7002PW MOSFET-NCHANNEL2N7002PW SOT323 Common NMOSFET Parts
MOSFET_SDA MOSFET-NCHANNEL2N7002PW MOSFET-NCHANNEL2N7002PW SOT323 Common NMOSFET Parts
MOSFET_SQW MOSFET-NCHANNEL2N7002PW MOSFET-NCHANNEL2N7002PW SOT323 Common NMOSFET Parts
PS2 MINI-DIN6PTH MINI-DIN6PTH MINI-DIN6 mini DIN 6 Connector
Piesă Valoare Librărie Formă Descriere
Q1 16MHz XTAL-4-3225 NX3225 Classic 4-pin 3.2 x 2.5mm crystal
Q4 20MHz XTAL-4-3225 NX3225 Classic 4-pin 3.2 x 2.5mm crystal
R1 10k RESISTOR0603-RES 0603-RES Resistor
R2 10k RESISTOR0603-RES 0603-RES Resistor
R3 85 RESISTOR0603-RES 0603-RES Resistor
R4 220 RESISTOR0603-RES 0603-RES Resistor
R5 120 RESISTOR0603-RES 0603-RES Resistor
R6 120 RESISTOR0603-RES 0603-RES Resistor
R7 120 RESISTOR0603-RES 0603-RES Resistor
R8 1k RESISTOR0603-RES 0603-RES Resistor
R9 1k RESISTOR0603-RES 0603-RES Resistor
R10 1k RESISTOR0603-RES 0603-RES Resistor
R11 1k RESISTOR0603-RES 0603-RES Resistor
R12 1k RESISTOR0603-RES 0603-RES Resistor
R13 1K RESISTOR0603-RES 0603-RES Resistor
R14 1k RESISTOR0603-RES 0603-RES Resistor
R15 1k RESISTOR0603-RES 0603-RES Resistor
R16 1K RESISTOR0603-RES 0603-RES Resistor
R17 18 RESISTOR0603-RES 0603-RES Resistor
R18 18 RESISTOR0603-RES 0603-RES Resistor
R21 100 RESISTOR0603-RES 0603-RES Resistor
R22 100 RESISTOR0603-RES 0603-RES Resistor
R23 1k RESISTOR0603-RES 0603-RES Resistor
R24 1k RESISTOR0603-RES 0603-RES Resistor
R25 18 RESISTOR0603-RES 0603-RES Resistor
R26 1k RESISTOR0603-RES 0603-RES Resistor
R27 1k RESISTOR0603-RES 0603-RES Resistor
R28 1k RESISTOR0603-RES 0603-RES Resistor
R29 1k RESISTOR0603-RES 0603-RES Resistor
R30 1k RESISTOR0603-RES 0603-RES Resistor
R31 220 RESISTOR0603-RES 0603-RES Resistor
R32 220 RESISTOR0603-RES 0603-RES Resistor
R33 220 RESISTOR0603-RES 0603-RES Resistor
R34 220 RESISTOR0603-RES 0603-RES Resistor
R35 220 RESISTOR0603-RES 0603-RES Resistor
R63 22 R-EU_R0603 R0603 RESISTOR, European symbol
R64 22 R-EU_R0603 R0603 RESISTOR, European symbol
RESET RST_OFF TAC_SWITCHPTH TACTILE-PTH Momentary Switch
SPK1 SMT-0540-S-R SMT-0540-S-R SMT-0540-S-R SMT-0549-S-R
U$1               |DS1307SO8               |DS1307SO8               |SO08                    |I2C real-time clock with battery backup.              |
|U$2 CR1220-SMD CR1220SMT CR1220-SMD CR1216/CR1220/CR1225 12mm 3V lithium coin cell
U$3               |MICROSD                 |MICROSD                 |MICROSD                 |Micro-SD / Transflash card holder with SPI pinout     |
|U$4 DB15 DB15 DB15 DB15 / VGA right angle through-hole female connector.
U2 LM3940IMP-3.3 LM3940IMP-3.3 SOT230P696X180-4N Low Dropout Regulator
U6 FT231XS FT231XS SSOP20
X2 32.768kHz XTAL-3.2×1.5 XTAL3215 Low cost SMT crystals, no capacitors included
Piesă Valoare Librărie Formă Descriere

Software Design

Voi folosi AVR Studio pentru implementarea softului.

Se va scrie atât cod C cât și eventual un pic de ASM.

Pentru implementarea driverului VIDEO se vor scrie librăria de timing de la zero, luând în considerare parametri de timing necesari (20Mhz, video buffer utilizat la maxim (cei 2000 octeți de memorie SRAM de pe microcontrollerul Atmega324A) și output de culoare monocromă).

Pentru PS/2 se va scrie o librărie, folosind standardul PS/2.

Pentru comunicația între CPU → GPU se va scrie un mic protocol de comunicație bazat pe UART-ul AVR-urilor:

Protocolul de comunicație va trimite pachete de dimensiune constantă de 2 octeți (Comandă/Parametru) de tipul:

Comandă Semnificație Parametru
10 PUTCHAR Octetul caracterului aferent
50 BACKSPACE
100 GOTOX Linia la care deplasăm cursorul
150 GOTOY Coloana la care deplasăm cursorul
200 COLORFG 0-8 Culoarea nouă a textului
225 COLORBK 0-8 Culoarea nouă a fundalului
250 CLR Ștergere ecran

Întrucât nu a mai fost timp pentru a lipi și modului pentru card microSD, nu voi folosi nici o librărie pentru acces la card SD, dar pe viitor intenționez să folosesc scheletul de cod de la laborator pentru acces la card SD și sistemul de fișiere aferent, alături de implementarea unui format executabil care să poată fi copiat în memoria de cod de pe cardul SD și executat.

Rezultate Obţinute

Realizarea proiectării a durat ceva timp, dar învâțând EAGLE, am reușit să rutez cu un pic de ajutor automat, o placuță pe 2 layere (Front și Back) care arată destul de bine.

În ROBOLAB, primind ajutor de la echipa de PM cărora le muțumesc pe această cale, am realizat plăcuța.

Aici sunt poze cu procesul de etching și lipire.

A fost o mare bătaie de cap lipirea unor componente așa mici, și în mod special a fost dificil să lipesc circa 50 de via-uri de 0.5mm, proces care a durat în jur de 8 ore.

Am observat apoi la primul contact cu curentul electric de 5V că a explodat siguranța SMD care se arde de obicei dacă curentul depășește cu mult 500mA (regulat de obicei prin USB), moment în care nu a mai funcționat plăcuța. După desfacerea siguranței, am avut alimentare, dar nu se putea comunica cu microcontrollerele.

După debugging hardware semnificativ (atât scurturi, întreruperi de trasee, cât și greșeli pe schema electrică care nu au ajuns tipărite și au rămas pe calculator :) ) într-un final, cele 2 controllere au reușit să comunice cu programatorul AVR și fuse-urile au fost date jos.

Nu am apucat sa scriu decat o mica parte din kernelul CPU-ului, care doar copiaza caracterele de la PS/2 la UART-ul scos de pe placa prin cei 2 pini apropiati de CPU.

Concluzii

Download

Jurnal

Puteți avea și o secțiune de jurnal în care să poată urmări asistentul de proiect progresul proiectului.

Bibliografie/Resurse

Resurse Hardware

Am folosit urmatoarele datasheeturi:

* ATMega324P * ATMega1284P

iar celelalte se gasesc in arhiva si la ro.farnell de unde am cumparat piesele din BOM.

Resurse soft

* Documentul protocolului PS/2 * Interfatarea PS/2 cu ATTiny * Diverse site-uri cu GPU-uri implementare prin AVR

pm/prj2015/avoinescu/avrpc.txt · Last modified: 2021/04/14 17:07 (external edit)
CC Attribution-Share Alike 3.0 Unported
www.chimeric.de Valid CSS Driven by DokuWiki do yourself a favour and use a real browser - get firefox!! Recent changes RSS feed Valid XHTML 1.0