Encoder使用

這個月被二位網友問到Encoder問題。
Bee看過很多MCU工程師寫的程式，大部分工程師將I/O暫存器當RAM用。
但實際上硬體不穩定時，就查得要死要活的，很難穩定系統，又不知問題在那裏。
Bee也是過來人，因為早期Bee也寫過不穩定的硬體(用FPGA)，軟體上吃了大虧，自此養成必要時才動硬體暂存器的習慣。
也就是使用Encoder，必要時才讀，再轉成32位元變數(64位元也可以)，以32位元為其他軟體的依據。
這招不僅是減少對硬體的依賴度，也增加不同平台的可移植性。
同樣的Encoder程式，用在數個案子內：
1. 8051，使用中斷方式解Encoder，可用。
2. FPGA，使用I/O讀取24位元，可用。
3. STM32，內建Encoder，16位元，可用。
上層馬達控制程式完全不用修改。

其中有幾行連博士也覺得神奇，找過各大網站，就是找不到為何可以用。
以STM32系統為例：

int Encoder_Count;
unsigned short Last_Encoder;

void GetEncoder(void)
{
    unsigned short Encoder = 0;
    int Encoder_Diff;
   
    Encoder = TIM_GetCounter(ENC_TIMER);
    Encoder_Diff = (short)(Encoder - Last_Encoder);
    Last_Encoder = Encoder;
    Encoder_Count += Encoder_Diff;
}
Encoder_Count就是32位元Encoder的值，一樣不管Encoder暫存器是16/24位元，都先轉成32位元。
之後再重新計算，看是單向運動，圓週運動，基本上32位元都不會掉精度。

Encoder_Diff = (short)(Encoder - Last_Encoder);
此行則是利用unsigned在計算時underflow/overflow的特性得到差值，這是一般人不會使用的。

在FATFS Sample中新增PC檔案交換功能

FATFS可以在PC上模擬，是利用記憶體做的一個Disk，但創造後是空的，難以做其他實驗。所以新增二個指令可以將檔案搬進Fatfs系統及搬出Fatfs系統。

搬入指令fy，程式碼如下：

            case 'y' :    /* fy <src_name> <dst_name> - Copy a file from PC*/
                while (*ptr == ' ') ptr++;
                ptr2 = _tcschr(ptr, ' ');
                if (!ptr2) break;
                *ptr2++ = 0;
                while (*ptr2 == ' ') ptr2++;
                _tprintf(_T("Opening PC file \"%s\""), ptr);
                fp = fopen(ptr,"rb");
                _tprintf(_T("\n"));
                if (!fp) {
                    _tprintf(_T("Open Fail!\n"));
                    break;
                }
                while (*ptr2 == ' ') ptr2++;
                _tprintf(_T("Creating \"%s\""), ptr2);
                res = f_open(&file[1], ptr2, FA_CREATE_ALWAYS | FA_WRITE);
                _tprintf(_T("\n"));
                if (res) {
                    put_rc(res);
                    f_close(&file[0]);
                    break;
                }
                _tprintf(_T("Copying..."));
                p1 = 0;
                for (;;) {
                    s1 = fread(Buff, 1, sizeof Buff, fp);
                    if (s1 == 0) break;   /* error or eof */
                    res = f_write(&file[1], Buff, s1, &s2);
                    p1 += s2;
                    if (res || s2 < s1) break;   /* error or disk full */
                }
                _tprintf(_T("\n"));
                if (res) put_rc(res);
                fclose(fp);
                f_close(&file[1]);
                _tprintf(_T("%lu bytes copied.\n"), p1);
                break;

搬出指令fz，程式碼如下：
            case 'z' : /* fz <src_name> <dst_name> - Copy a file to PC*/
                while (*ptr == ' ') ptr++;
                ptr2 = _tcschr(ptr, ' ');
                if (!ptr2) break;
                *ptr2++ = 0;
                while (*ptr2 == ' ') ptr2++;
                _tprintf(_T("Opening \"%s\""), ptr);
                res = f_open(&file[0], ptr, FA_OPEN_EXISTING | FA_READ);
                _tprintf(_T("\n"));
                if (res) {
                    put_rc(res);
                    break;
                }
                while (*ptr2 == ' ') ptr2++;
                _tprintf(_T("Creating PC file \"%s\""), ptr2);
                fp = fopen(ptr2,"wb");
                _tprintf(_T("\n"));
                if (!fp) {
                    _tprintf(_T("Open Fail!\n"));
                    break;
                }
                _tprintf(_T("Copying..."));
                p1 = 0;
                for (;;) {
                    res = f_read(&file[0], Buff, sizeof Buff, &s1);
                    if (res || s1 == 0) break;   /* error or eof */
                    s2 = fwrite(Buff, 1, s1,fp);
                    p1 += s2;
                    if (s2 < s1) break;   /* error or disk full */
                }
                _tprintf(_T("\n"));
                if (res) put_rc(res);
                f_close(&file[0]);
                fclose(fp);
                _tprintf(_T("%lu bytes copied.\n"), p1);
                break;

程式基礎是從fx指令改出來的。

Cortex-M7核心新增特色

找了一些資料，才弄清楚多了那些。主要是針對Cortex-M4之間的差異。

1. 核心改為六級管線加上分支預測
2. Bus界面改為64位元，除增加效率外，增加定址能力對於大型儲存週邊有很大的幫助。
3. 核心正式放入近端記憶體。
   可增加對Call Stack存取速度，改進RTOS效能。
   也有可執行區，可以將需要高速執行程式碼放入，改善中斷效能。
4. 新增硬體除法指令

MCU推展最大障礙在於對軟體操作能力

調部門已四個月，原先進技術部門已分解，重新分配到電子部門。
在新案開發上，軟體人員具有否決權。
使用新式電路，因為以前研究過軟體驅動方式，將電路放內產品。
結果軟體部門否決，因為無法控制，要求舊式電路。
不只如此，對特定廠牌MCU也有依賴性。所以也不易更換MCU。

目前看到二個原因造成MCU升級或更換後的障礙，造成軟體人員不願更換。
1.  對於MCU信號操作的陌生。
    不想量信號的軟體人員會如此，和畢業科系無關。一但投入軟體，便不再碰信號。
2.  對於軟體主架構過度依賴。
    對於慣用8/16位元MCU的軟體人員，已經開發大量函式庫，不願去改舊程式碼。
    常見於接手的工程師，對於原軟體系統並不是很了解，不想動原系統。
    在非RTOS系統上開發的舊程式，此現象特別嚴重。
    因為RTOS就是將軟體和硬體作適當分離。一但沒有O.S.連最基礎的延時功能都大受MCU架構所影響。
    無RTOS的系統本身其移植性就很低。

對於一年要換數個MCU的Bee來說，是早已克服的問題。
這也許是MCU系統工程和MCU軟體工程上的差異。
不過MCU軟體工程，不是PC上的軟體工程，可以完全不碰信號的。       

Forth語言在Swarm發展之可行性

1.  Forth語言之困境
    身為Forther是不會願意接受這件事，但此為現狀，Bee很早就認為，只是隨ARM MCU之流行，情況更加嚴重。
    Forth因為小而完整發揮MCU能力，確實在8/16位元MCU上一直有特色。
    但隨著時代推展，進入32位元MCU時代，小而完整之特質已無法凸顯其特色。
    32位元MCU時代的特性為：
    1.  豐富週邊
    2.  大量免費C函式庫
    3.  大量免費軟體工具
        RTOS, FAT File System, USB Driver, Ethernet Example, GUI Library, SD Card Driver...等等。
    以上特色，使得MCU以C發展可以快速得到成果，Forth則無廠商願意寫函式庫，變得跟不上時代。
    32位元MCU各大廠又以軟體元件為其發展重點，快速拼裝已成為特性，大大的拉開C語言及其他語言的距離。
    32位元MCU除了C外，其他語言完全變成非主流。
   
2.  Swarm Robot / Multi-Robot System發展之問題
    Robot一直是MCU實現的好目標。使用Forth發展是很方便的。但因MCU隨著32位元時代來臨，Forth被淡忘。
    實際上單一Robot發展並不是很方便，若非C語言在MCU上有大量的工具，使用C語言是一項沒有得選擇的發展。
    Bee曾認為Forth在Robot上的發展可能有一席之地。但32位元MCU推展過於快速，完全沒有給Forth有時間及機會去成長。
    在一個偶然的機會，Bee想到找群體機器人(Swarm)上的相關資料，發現以目前的Robot發展是困難的。
    主因為在於Swarm Robot除了實現Robot外，需要解決Robot之間溝通之問題。
    實現通信不難，但Robot之間溝通，實為發展社會語言，若非有電腦語言發展能力，此問題不易解決。
    一般實作Robot，多以電子為主，語言只是實現工具，故一般工程師無法有效解決此問題。
    常用工具C語言在此問題上，完全是缺乏應用之空間。故在此領域推展很慢。
   
3.  Forth如何解決Robot通信及Swarm程式發展之可能
    Forth寫Robot程式和C寫Robot有很大的不同。
    C語言寫Robot比較像是外科手術：
    1. Robot關閉;  麻醉
    2. 寫程式下載; 開刀
    3. Robot打開;  叫醒
    但此程序對於多機器人的程式發展及測試是不利的。
    因為有很多狀況是機器人已經面對和另一個機器人要做溝通協調，外科手術反而打斷取得狀況的方法。
    Forth寫Robot程式則是像老師教學生：
    學生接受老師的指令，一步步動作。有新狀況也可以回報,並加以修正。
    在Swarm的環境，所有的通信都變成廣播型式的指令。
    Forth原先只有一個對象，在此環境中，只要增加指定對象的指令、交換資料的指令，就可以開始使用。
    此時程式設計師成為教練，每一個機器都是學生、學生間可以交換資料，並下命令改變其他學生的工作。
    故Forth可以直接成為Swarm Robot的自然語言，人機一體語言在此環境是極為自然的溝通。
    在通信格式上，幾乎只要將Forth指令用通信封包包一下就可以直接使用。
   
結論：
    Bee認為Forth的衰退是時代的必然。但Forth要能使用下去必須找一個符合的環境。
    只是經過長久的觀察才找出可以有效利用Forth特性的使用場所。
    另一個說法是：C語言在MCU上已是霸主。
    Forth在單打獨鬥上是輸C不少，所以就不要單打，改打群體戰。
    在群體戰這個新領域Forth再利用其小而完美的特性重新站起來。

Cortex M7面世對其他MCU影響

日前ARM發表了Cortex-M7 MCU核心。就規格上來看並沒有多出Cortex-M4很多。
其實因為Cortex-M7和Cortex-A5已有部分市場重疊，所以並沒有一口氣做出很大的超越。
不過倒是另一家公司的產品可慘了: PIC32。
PIC32是一直向Bee推廣，但Bee認為MPIS核心已不會成為主流，所以一直在觀望。
觀望的原因在於PIC32在效能上確實較CM3/4來得強。
但CM4已內建浮點運算器，而PIC32仍遲遲未推出帶有浮點運算器的狀況下，已開始處於劣勢。
唯一只剩下主頻仍強於CM4。
如今最後一項優勢也消失了，CM7可以達到PIC32的同頻且具備浮點運算器。
這下PIC32已完全失去硬體優勢。
剩下的就是軟體環境了。
就軟體開發性來說STM32系列是相當不錯，完全Open Source。只差會不會拼裝。
Microchip也是不錯，大部分功能也都有，但在核心的部分和MPLab相連。
造成移植上不好弄，有支援到可以直接用，沒支援到要拼裝就麻煩了。

另外一個32位元的MCU是TI的DSP。這顆在浮點運算上沒有問題。
但在實際使用上，週邊輸了一截。
也許在運算上，TI的DSP是有贏。不過STM32則是利用其DMA直通週邊，將週邊管理時間省下來。
使用靈活度上是以STM32來得靈活。

但Bee也發現大部分工程師即使已知MCU輸人一截的狀況下，大部分仍不願換新廠商MCU。
主因是要閱讀的資料量過大，要能有效運用，真的要花一點時間。在專案的壓力下，通常不採用新MCU。

MCU現在入門，不管是那一顆其資料手冊都破千頁。這個才是推展上的最大問題。
所以一時三刻，不會有明顯改變，但長期來看，應是很明顯了。

MCU使用回顅

最近和某個代理商FAE聊了一下，剛好將歷史上幾個重要的改變都提了一下。這些改變，也使得各時代MCU主導的廠商有所不同。
剛好記下來寫成文章。

8051時代，MCU是一門特殊行業，大部分是電子工程師兼程式撰寫。
因為MCU除了UART外，也沒有什麼周邊。寫程式還要一方產生除錯信號。軟體工具亦不全，ICE比車貴。還是自寫寫除錯比較實在。因為MCU效能低組合語言算是此時代的霸主。
其實Bee覺得C語言太貴也是組合語言流行的主因。
這個時代能好好發揮MCU的功能就很好了。
所以工程師比較喜歡使用具有應用說明的MCU。
故在此時代應用說明做的好MCU也會相對好推。MicroChip及Atmel就出了自己的MCU加上豐富文件，順利以非8051/6800進入市場。

後來週邊相對多了，C語言寫MCU開始流行。因為MCU整合週邊進同一個晶片，變成沒有信號可以量。此時寫軟體驅動變得相對重要。
另外內嵌除錯介面的MCU亦開始流行。此為MCU最多種類的時代。
因為每加入一項週邊大概就可以出一個型號，而新的MCU核心也不斷出現，開始強調便利性。
而8051在此也不是省油的燈，也一起增加週邊並改進核心效能。
不過整合進MCU也不是沒有代價，工程師更依賴軟體工具。
此時代有好的週邊範例程式才是推展重點。但大部分人的眼光仍在工具及MCU規格上。
MSP430則是Bee用起來不錯的MCU，TI在範例程式上很下功夫，所以開拓了不少新市場。
同時這個時代的工程師也開始變成專業，因為軟體變大也變複雜些。

而32位元MCU呢?各時代其實沒有缺席，只有一個問題，價格高很多，使用比率低。
ARM以省電及價格低進入市場。其實在省電這一項並沒有比MSP430來得好。不過32位元確實開始有需求。
另一個開始流行的重點是，當單價開始低於10美元時，和原本8/16位元MCU相近時，需求開始大量增加。
32位元MCU的使用，一方面是容量增加，沒有8/16位元MCU有64KB的限制。
另一個是軟體程式庫的使用，因為可以直接使用PC軟體程式庫。
經由軟體桯式庫，MCU可以再開拓以往8/16位元MCU不易做的，而PC原先就發展過的。
也就是部分MCU取代了部分原先工業電腦的領域，且體積小價格低。
這個時代工程師的需求轉而修改最接近的軟體架構，而不是從各週邊範例來合體。
另一個說法是，刪除不要的比較快。再加入特殊需求就好了。
可以提供如此需求就是ST，也造成其MCU開始流行。
當然STM32系列的週邊也是很豐富，也有不錯的工程設計，在升級時方便也是其優勢。

不過到此MCU開始變的更專業化，已不是原先電子工程師或軟體工程師可以容易轉入。出現了純電子/純軟體無法直接進入的專業知識=RTOS。
RTOS只是新MCU工程師的專業一部分，在此做為其電子無法理解的代表。
而在豐富到爆炸的週邊，要有效利用其週邊能力，又必須有電子知識，這是純軟體人員無法跨過的障礙。
除了RTOS，要能有使用32位元電腦軟體去拼裝成MCU使用軟體，也不是純電子人員能做的。
另外，分散式控制也出現了。將PC,MCU共同合作形成系統，也非純軟體可解決。因為系統分割，如何使用最少接線，還是偏向電子為多。
原先從8位元時代來的MCU專業人員，也面臨一樣問題。因為主要是學電子來的，一下子要使用如此豐富的軟體元件，不是一時三刻可以學得會。
32位元MCU工程師和8位元MCU工程師突然有所區隔。也就是同為MCU工程師，使用技術大大不同。連分享知識都可能造成另一方無法理解。

MCU的下一步呢?其實在硬體上已經沒有可以做的，因為差不多等於小型PC。
各MCU製造商也開始發現，其實新時代工程人員是明顯不足的。
所以重心開始調整為整合套件。而MCU的硬體是不相同的，就算是同一家只有出現相同週邊時才能做軟體套件。
硬體抽像層是接下來的重點。若是MCU使用上像軟體，只要元件拉一拉，就可以拼裝出系統，可以大幅降低使用門檻。
而且MCU升級到後繼MCU也比較沒有問題。

各時代有其不同需求，造就了不同的MCU及其製造商。
回顧歷史讓大家知道各時代的興衰。也希望可以啟發大家對未來新MCU的選擇。
或是給即將轉換到新時代MCU工程人員一個參考。