[W11] [STM32] I/O & interupt

(零) IDE & board

STM32 board：NUCLEO-F207ZG
https://hackmd.io/uJrNrB3rTgKHdyLhTJY74Q

online IDE操作、ST-Link驅動安裝、Tera Term設置
https://hackmd.io/@Kirashi/SJR-2slKt

(一) Basic

Mbed API list

• 在網路搜尋Mbed API，會找到網站
  https://os.mbed.com/docs/mbed-os/v6.15/apis/index.html
  通常開發函數庫(Library)或板子(Board)的開發者，會提供使用者API，讓使用者不需要了解函數的實作細節，只需要知道函數如何使用，以提高使用者的編程效率。

• Mbed API 提供I/O、Serial等周邊設備的控制方法、函數的輸入輸出、函數使用範例等。

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DigitalOut Class

• API：https://os.mbed.com/docs/mbed-os/v6.15/apis/digitalout.html

• DigitalOut (PinName pin)
  讓DigitalOut物件能與實際腳位連結，PinName參照Pinout圖。

• write (int value)
  輸出高準位(1)或低準位(0)。

• is_connected ()
  確認物件是否與實際腳位有連結了。

• DigitalOut& operator= (int value)
  例如：testled = 1;
  其中testled是DigitalOut物件

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Example 1-1

• 實驗目標：使用DigitalOut使LED閃爍

• 使用 Member Function 方法，實現LED Blink

#include "mbed.h"

DigitalOut blinkled(LED1);

int main()
{
    // Blink LED
    while(1) {
        blinkled.write(1);
        wait(1);
        
        blinkled.write(0);
        wait(1);
    }
}

• 使用operator方法，實現LED Blink

#include "mbed.h"

DigitalOut blinkled(LED1);

int main()
{
    // Blink LED
    while(1) {
        blinkled = !blinkled;
        wait(1);
    }
}

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LAB 1-1

• 實驗目標：以LED1~3實現單向跑馬燈

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DigitalIn Class

• API：https://os.mbed.com/docs/mbed-os/v6.15/apis/digitalin.html

• DigitalIn (PinName pin)
  讓DigitalIn物件能與實際腳位連結，PinName參照Pinout圖。(設定數位輸入接腳用)

• int read ()
  讀取pin電壓準位。回傳1或0。(高準位或低準位)。

• is_connected ()
  確認物件是否與實際腳位有連結了。

• mode(PinMode pull)
  設定輸入模式。pull={PullUp, PullDown, PullNone, OpenDrain}

• operator int()
  An operator shorthand for read()

如果button是DigitalIn，led是DigitalOut，下列兩個敘述等價：

led = button;
led.write(button.read());

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Example 2-1

• 實驗目標：讀取USER_BUTTON，若開關被按下令LED1發光；開關放開則LED1不發光。

• 使用memeber function方法

#include "mbed.h"

DigitalIn  button(USER_BUTTON); //the button on your board
DigitalOut led(LED1);

int main()
{
    // 檢查物件button是否完成pin連結
    if(button.is_connected()) {
        printf("button is connected and initialized! \n\r");
    }
    
    button.mode(PullNone); // 浮接
    
    while(1) {
        led.write(button.read()); // member function expression
        wait(0.25);
    }
}

• 使用operator寫法

#include "mbed.h"

DigitalIn  button(USER_BUTTON); //the button on your board
DigitalOut led(LED1);

int main()
{    
    button.mode(PullNone); // 浮接
    
    while(1) {
        led = button; // operator expression
        wait(0.25);
    }
}

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LAB 2-1

• 實驗目標：承LAB1-1之跑馬燈，在USER_BUTTON被按下時停止，放開時往反方向運行跑馬燈

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Serial Class

• API：https://os.mbed.com/docs/mbed-os/v5.15/apis/rawserial.html
• Serial (PinName tx, PinName rx, int baud)
  建構Serial物件，tx與rx填上有支援UART的pin腳位代號，baud預設為9600。
• baud (int baudrate)
  如果沒有在建構式上設定鮑率，可以使用member function設定。
• printf(char* string)
  向螢幕輸出字串
• putc(int c)
  tx端輸出
• getc(int c)
  rx端接受字元

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Tera Term設定

1. Setup -> Serial Port…
2. Port : 選擇連接Mbed的port
3. Speed : 鮑率選擇9600
   

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Example 3-1

• 實驗目標：通過Tera Term，將鍵盤每次輸入的字元顯示到螢幕上

#include "mbed.h"
 
RawSerial pc(USBTX, USBRX); // tx, rx
 
int main() {
    pc.printf("Hello World!\n\r");
    while(1) {
        pc.putc(pc.getc()); // echo input back to terminal
    }
}

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LAB3-1

• 實驗目標：通過Tera Term，完成下列目標

1. 輸入'G'切換LED1狀態
2. 輸入'B'切換LED2狀態
3. 輸入'R'切換LED3狀態
4. 輸入'1'切換所有LED狀態
5. 輸入錯誤會顯示錯誤訊息

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Bonus 1

• 實驗目標：

1. 一開始跑馬燈以G(LED1)、B(LED2)、R(LED3)、A(外接的LED)順序運行
2. USER_BUTTON長按進入使用Tera Term輸入指令狀態
3. 輸入RGBA的不同排列順序改變亮燈順序
4. 按下Enter後回到跑馬燈狀態並依照先前指令之排列順序運行。
   註1:一開始跑馬燈順序GBRA。
   註2:要能偵測input錯誤並告知使用者。
   註3:可以參考使用如下面提示之物件導向寫法。也歡迎使用其他方法d(`･∀･)b

※有字幕

Hint:
※以下為Pointer物件導向宣告方式

#include "mbed.h"
/////Variable Declaration/////

DigitalOut *output;
DigitalOut *X[1];

int main(){
    output = new DigitalOut(LED1);
    X[0] = output;
    
    while(1){
        *X[0] = !*X[0];
        wait(0.5);
    }
}

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Timer Class

• API：https://os.mbed.com/docs/mbed-os/v5.15/apis/timer.html

• start()：開始計時。

• stop()：停止計時。

• reset()：重新計時。

• read()：讀取時間，浮點數型態輸出，單位為秒。

• read_ms()：讀取時間，整數型態輸出，單位為毫秒。

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Example 4-1

實驗目標：利用Timer計時，並輸出時間到Tera Term

#include "mbed.h"

Timer timer;
float t1;
int t2;

int main()
{    
    timer.start(); // 計時開始
    
    while(1) {
        t1 = timer.read();  // 讀取時間 浮點表示
        t2 = timer.read_ms(); // 讀取時間 整數表示
        
        printf("%f seconds \r\n",t1);
        printf("%d miliseconds \r\n",t2);
        printf("\r\n");
        
        if(t2 > 10000)
            timer.stop(); //計時停止
        
        wait(0.5);          
    }
}

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LAB 4-1

實驗目標：使用Timer，消除USER_BUTTON的彈跳現象，然後記錄BUTTON被按下的次數，在USER_BUTTON被按下時輸出次數到Tera Term。(當按鈕被按著不放時，只算一次)

Hint: 使用timer時間差決定按下和放開的情況

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(二) 中斷(Interrupt)

Interrupt Class

除了能觸發中斷的Timer外，Mbed也提供了另外三種Interupt Class API，給開發者利用。

• InteruptIn：讀取腳位信號，上、下緣時引發中斷。
  API：https://os.mbed.com/docs/mbed-os/v5.15/apis/interruptin.html

• Ticker：每經過一段時間就引發中斷。
  API：https://os.mbed.com/docs/mbed-os/v5.15/apis/ticker.html

• Timeout：延遲一段時間後引發中斷。
  API：https://os.mbed.com/docs/mbed-os/v5.15/apis/timeout.html

• 在使用Interupt Class時需要注意，盡量避免在ISR中使用wait()、無限迴圈(infinite while loop)、blocking calls(除非指派的任務完成否則會持續等待的函數，例如：cin函數)。也不要使用printf、new、malloc函數。詳細參照API中Warnings and notes條目。

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Example 5-1

實驗目標：使用InterruptIn，實現USER_BUTTON被按下時，切換LED1狀態(亮/不亮)，而LED3保持閃爍

#include "mbed.h"
 
InterruptIn button(USER_BUTTON);
DigitalOut led(LED1);
DigitalOut blinkled(LED3);
 
void change() {
    led = !led;
}
 
int main() {
    button.rise(&change);  // 上緣觸發執行flip()
    
    // LED3 每2秒亮暗一次
    while(1) {
        blinkled = !blinkled;
        wait(1);
    }
}

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Example 5-2

實驗目標：使用Ticker，實現兩個不同頻率的LED Blinking

#include "mbed.h"
 
Ticker tick[2];
DigitalOut blinkled[2] = {LED1, LED3};

void change0() {
    blinkled[0] = !blinkled[0];
}

void change1() {
    blinkled[1] = !blinkled[1];
}
 
int main() {
    tick[0].attach(&change0,0.5);
    tick[1].attach(&change1,0.8);
    while(1){ }
}

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LAB 5-1

實驗目標：一開始LED1閃爍，使用Timeout 5秒後轉為閃爍LED2。

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LAB 5-2

實驗目標：實現呼吸燈

1. 亮暗週期:
   • 由亮至暗 : 2s
   • 由暗至亮 : 2s

Tips：AnalogOut API、Pinout中尋找支援AnalogOut的Pin

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Bonus 2

實驗目標：完成一個簡易碼表。並實現以下目標：

1. 使用七段顯示器顯示秒數，並且精準到小數2位，並且遵守接下來例如的顯示方式。例如：2.31秒，則顯示[ ][2.][3][1]而不是[0][2.][3][1]；0.02秒，則顯示[ ][0.][0][2]。
2. 碼表初始狀態為停止。並且顯示[ ][0.][0][0]。
3. 短按開關，則切換碼表狀態(停止/開始)。
4. 長按開關，則碼表時間歸零。
   

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課後問題：

• 列出一表簡單表示STM32 NUCLEO-F207ZG與Arduino Uno的規格差異。(例如：震盪器頻率、Pin腳數、Flash memory大小)
• 簡述Mbed項目的創立目的與可能造成的影響
• 什麼是API