Taller de Sistemas Embebidos
En este proyecto se implementa una aplicación para la placa STM32
Nucleo-F103RB. Esta
aplicación es de tipo no bloqueante y dirigida por
eventos,
ademas se actualiza en cada milisegundo. A su vez esta aplicación incluye 3
tareas task_sensor, task_system y task_actuator las cuales se modelan
mediante maquinas de estado. De estas 3 tareas en esta instancia solo se ha
implementado la maquina de estados de la primeras 2 task_sensor y
task_system, de la restante solo se ha implementado lo suficiente como para
que la aplicación se ejecute sin errores.
Estructura del proyecto
Para el proyecto se utiliza la IDE de STM: STM32CubeIDE. Una vista de árbol nivel 3 (desde la raíz del directorio) se muestra a continuación.
.
|-- app
| |-- inc
| | |-- app.h
| | |-- board.h
| | |-- dwt.h
| | |-- logger.h
| | |-- systick.h
| | |-- task_actuator_attribute.h
| | |-- task_actuator.h
| | |-- task_actuator_interface.h
| | |-- task_sensor_attribute.h
| | |-- task_sensor.h
| | |-- task_system_attribute.h
| | |-- task_system.h
| | `-- task_system_interface.h
| |-- src
| | |-- app.c
| | |-- logger.c
| | |-- systick.c
| | |-- task_actuator.c
| | |-- task_actuator_interface.c
| | |-- task_sensor.c
| | |-- task_system.c
| | `-- task_system_interface.c
| |-- app.txt
| |-- readme.txt
| |-- task_actuator.png
| |-- task_actuator.txt
| |-- task_sensor.png
| |-- task_sensor.txt
| |-- task_system.png
| `-- task_system.txt
|-- Core
| |-- Inc
| | |-- main.h
| | |-- stm32f1xx_hal_conf.h
| | `-- stm32f1xx_it.h
| |-- Src
| | |-- main.c
| | |-- stm32f1xx_hal_msp.c
| | |-- stm32f1xx_it.c
| | |-- syscalls.c
| | |-- sysmem.c
| | `-- system_stm32f1xx.c
| `-- Startup
| `-- startup_stm32f103rbtx.s
|-- Drivers
| |-- CMSIS
| | |-- Device
| | |-- Include
| | `-- LICENSE.txt
| `-- STM32F1xx_HAL_Driver
| |-- Inc
| |-- Src
| `-- LICENSE.txt
|-- README.md
|-- STM32F103RBTX_FLASH.ld
`-- tdse-tp2_01-model_integration.ioc
15 directories, 44 files
Archivo Core/Startup/startup_stm32f103rbtx.s
Este archivo está escrito en arm assembly y se ejecuta al inicializar el
microcontrolador, el propósito es inicializar los registros principales (como el
stack pointer o el program counter) la memoria y periféricos, para finalmente
transferir el control a la aplicación principal, cuyo punto de entrada es la
función main (definida en el archivo Core/Src/main.c) esto se puede ver en
la linea 100 del archivo de inicialización, en la cual se ejecuta una
instrucción bl (branch with link) y luego el símbolo main. El único tipo de
dato utilizado es word que representa una variable de 4 bytes (o 32 bits).
Archivo Core/Src/main.c
El archivo main.c es un archivo escrito en C que contiene el punto de entrada
del programa principal, este punto de entrada es invocado al momento de
inicializar el microcontrolador, como se mencionó previamente. El patrón de
diseño de este archivo es procedural, ya que la ejecución del programa se lleva
a cabo mediante la invocación de diferentes funciones o subrutinas.
Los métodos que se encuentran en este archivo además de la (función principal
main) son: initialise_monitor_handles, HAL_Init, SystemClock_Config,
MX_GPIO_Init, MX_USART2_UART_Init, app_init, app_update y
Error_Handler.
La función o método initialise_monitor_handles se encarga de inicializar o
configurar como se manipula la entrada y salida, por ejemplo con printf al
momento de depurar el código, en particular se utiliza el protocolo UART para
comunicarse con la computadora, es por esto que se inicializa con la función
MX_USART2_UART_Init.
La función SystemClock_Config como se indica en el nombre configura los
relojes internos del microprocesador, como ser las fuentes y los pre-escaladores
de los buses y los timers. La velocidad del microprocesador se almacena en la
variable global SystemCoreClock, esta variable se debe actualizar si se cambia
la velocidad del microprocesador.
Cuando se ejecuta la función HAL_Init se inicializa los estados internos de la
librería HAL (Hardware Abstraction Layer) lo que incluye el timer SysTick,
cuyo estado se almacena en la estructura global del mismo nombre. SysTick se
utiliza para generar una interrupción por cada milisegundo, para esto cuenta
desde SystemCoreClock/1000 hasta 0, por ejemplo, para una frecuencia de 64MHz,
el el timer cuenta desde 64000 hasta 0, lo que produce una interrupción exacta
por milisegundo.
La función Error_Handler se ejecuta en caso de error pero no tiene una
funcionalidad definida. Por ultimo en la función main se inicializa la
aplicación con app_init y en cada ciclo se actualiza el estado de la
aplicación con app_update.
Archivo app/src/app.c
En este archivo se definen las funciones app_init y app_update que se
invocan en la función main, y se define el callback HAL_SYSTICK_Callback,
este ultimo es una función que previamente ya estaba definida pero de manera
débil en la librería HAL, y se inicializa al momento de invocar HAL_Init, esta
función se ejecuta cada 1 milisegundo debido a una interrupción generada por un
timer. El callback se define de manera tal de incrementar el contador global de
ticks de la aplicación g_app_tick_cnt y el interno de cada tarea
g_task_*_tick_cnt, de esta manera, cada vez que el contador de cada tarea y de
la aplicación dejan de ser nulos (en cada milisegundo) la aplicación y las
tareas se deben actualizar.
Cada vez que se ejecutan las tareas se mide el tiempo de ejecución contando los
microsegundos que se tarde en ejecutar esa tarea, el peor de los tiempos de
ejecución se guarda en el dato WCET de cada tarea. La aplicación también lleva
un registro del tiempo de ejecución en microsegundos que se tarda en ejecutar
todas las tareas, y resulta de la suma del tiempo de ejecución cada tarea, el
resultado se guarda en la variable global g_app_runtime_us, esta variable se
actualiza en cada ejecución de las tareas, ademas se ha agregado la variable
g_app_WCET_us en la cual se guarda el peor tiempo de ejecución de todas las
tareas desde que se inicio el microcontrolador.
Analizando la evolución de la variable g_app_WCET_us se ha detectado el
impacto de imprimir texto en la consola con LOGGER_INFO en el tiempo de
ejecución de la aplicación, así como analizando el dato WCET de cada tarea.
Sin impresión el tiempo aproximado de ejecución de una tarea es menor a 10 us,
mientras que utilizando LOGGER_INFO el tiempo se incrementa 95 ms
aproximadamente, esto hace que el peor tiempo de ejecución de la aplicación se
incremente de 13 us a 106 us.
Archivo app/src/task_sensor.c
En este archivo se implementa las funciones del modelo sensor, el cual se modela, como multiples botones, utilizando una maquina de estados por cada uno.
Las subrutinas que se presentan son task_sensor_init, task_sensor_update y
task_sensor_statechart. La primera task_sensor_init se invoca por única vez
al iniciar la tarea (cuando se invoca app_init) e inicializa las variables de
todas las maquinas de estados de modelo sensor disponibles (definidas en
task_sensor_cfg_list y task_sensor_dta_list). Las ultimas dos subrutinas
task_sensor_update y task_sensor_statechart se invocan continuamente en el
superloop, al invocar app_update, en particular en app_update se llama a
task_sensor_update y esta internamente invoca la función
task_sensor_statechart, la cual actualiza el estado de cada una de la maquina
de estados disponibles del modelo task_sensor.
Archivo app/src/task_sensor_attribute.h
En este archivo se describen los atributos de la maquina de estados del modelo sensor, como son los eventos que recibe y los estados posibles, también se definen las estructuras que representan esta maquina de estados, de manera tal de poder representar multiples sensores.
Archivo app/task_sensor.png
En este archivo se presenta el diagrama de estados completo de la maquina de estados que representa al sensor. Por ser un diagrama de estados se muestran todos los posibles estados, como también el inicial, y como cambian estos al recibir eventos.
Archivo app/src/task_system.c
En este archivo se implementa las funciones del modelo system, el cual se modela, como una única maquina de estados.
Las subrutinas que se presentan son task_system_init, task_system_update y
task_system_statechart. La primera task_system_init se invoca por única vez
al iniciar la tarea (cuando se invoca app_init) e inicializa las variables de
la maquina de estados del modelo system (definidas en la instancia de la
estructura task_system_dta_t, task_system_dta). Las ultimas dos subrutinas
task_system_update y task_system_statechart se invocan continuamente en el
superloop, al invocar app_update, en particular en app_update se llama a
task_system_update y esta internamente invoca la función
task_system_statechart, la cual actualiza el estado de la maquina de estados
del modelo system de acuerdo al estado en que este y los eventos que se reciben.
Archivo app/src/task_system_attribute.h
En este archivo se describen los atributos de la maquina de estados del modelo system, como son los eventos que recibe y los estados posibles, también se definen las estructuras que representan esta maquina de estados.
Archivo app/src/task_system_interface.h
En este archivo se define una serie de subrutinas para interactuar con el modelo system, de manera de enviar y recibir eventos, por ejemplo recibir eventos del modelo system y enviar eventos al modelo actuator.
Las subrutinas que se definen son init_queue_event_task_system,
put_event_task_system, task_system_ev_t get_event_task_system y
any_event_task_system.
Archivo app/task_system.png
En este archivo se presenta el diagrama de estados completo de la maquina de estados que representa al sistema. Por ser un diagrama de estados se muestran todos los posibles estados, incluyendo el estado inicial, y como cambian estos al recibir eventos.
1 # Taller de Sistemas Embebidos 2 3 En este proyecto se implementa una aplicación para la placa STM32 4 [Nucleo-F103RB](https://www.st.com/en/evaluation-tools/nucleo-f103rb.html). Esta 5 aplicación es de tipo no bloqueante y [dirigida por 6 eventos](https://es.wikipedia.org/wiki/Programaci%C3%B3n_dirigida_por_eventos), 7 ademas se actualiza en cada milisegundo. A su vez esta aplicación incluye 3 8 tareas `task_sensor`, `task_system` y `task_actuator` las cuales se modelan 9 mediante maquinas de estado. De estas 3 tareas en esta instancia solo se ha 10 implementado la maquina de estados de la primeras 2 `task_sensor` y 11 `task_system`, de la restante solo se ha implementado lo suficiente como para 12 que la aplicación se ejecute sin errores. 13 14 ## Estructura del proyecto 15 16 Para el proyecto se utiliza la IDE de STM: 17 [STM32CubeIDE](https://www.st.com/en/development-tools/stm32cubeide.html). Una 18 vista de árbol nivel 3 (desde la raíz del directorio) se muestra a continuación. 19 20 ```console 21 . 22 |-- app 23 | |-- inc 24 | | |-- app.h 25 | | |-- board.h 26 | | |-- dwt.h 27 | | |-- logger.h 28 | | |-- systick.h 29 | | |-- task_actuator_attribute.h 30 | | |-- task_actuator.h 31 | | |-- task_actuator_interface.h 32 | | |-- task_sensor_attribute.h 33 | | |-- task_sensor.h 34 | | |-- task_system_attribute.h 35 | | |-- task_system.h 36 | | `-- task_system_interface.h 37 | |-- src 38 | | |-- app.c 39 | | |-- logger.c 40 | | |-- systick.c 41 | | |-- task_actuator.c 42 | | |-- task_actuator_interface.c 43 | | |-- task_sensor.c 44 | | |-- task_system.c 45 | | `-- task_system_interface.c 46 | |-- app.txt 47 | |-- readme.txt 48 | |-- task_actuator.png 49 | |-- task_actuator.txt 50 | |-- task_sensor.png 51 | |-- task_sensor.txt 52 | |-- task_system.png 53 | `-- task_system.txt 54 |-- Core 55 | |-- Inc 56 | | |-- main.h 57 | | |-- stm32f1xx_hal_conf.h 58 | | `-- stm32f1xx_it.h 59 | |-- Src 60 | | |-- main.c 61 | | |-- stm32f1xx_hal_msp.c 62 | | |-- stm32f1xx_it.c 63 | | |-- syscalls.c 64 | | |-- sysmem.c 65 | | `-- system_stm32f1xx.c 66 | `-- Startup 67 | `-- startup_stm32f103rbtx.s 68 |-- Drivers 69 | |-- CMSIS 70 | | |-- Device 71 | | |-- Include 72 | | `-- LICENSE.txt 73 | `-- STM32F1xx_HAL_Driver 74 | |-- Inc 75 | |-- Src 76 | `-- LICENSE.txt 77 |-- README.md 78 |-- STM32F103RBTX_FLASH.ld 79 `-- tdse-tp2_01-model_integration.ioc 80 81 15 directories, 44 files 82 ``` 83 84 ### Archivo `Core/Startup/startup_stm32f103rbtx.s` 85 86 Este archivo está escrito en arm assembly y se ejecuta al inicializar el 87 microcontrolador, el propósito es inicializar los registros principales (como el 88 stack pointer o el program counter) la memoria y periféricos, para finalmente 89 transferir el control a la aplicación principal, cuyo punto de entrada es la 90 función `main` (definida en el archivo `Core/Src/main.c`) esto se puede ver en 91 la linea 100 del archivo de inicialización, en la cual se ejecuta una 92 instrucción `bl` (branch with link) y luego el símbolo `main`. El único tipo de 93 dato utilizado es `word` que representa una variable de 4 bytes (o 32 bits). 94 95 ### Archivo `Core/Src/main.c` 96 97 El archivo `main.c` es un archivo escrito en C que contiene el punto de entrada 98 del programa principal, este punto de entrada es invocado al momento de 99 inicializar el microcontrolador, como se mencionó previamente. El patrón de 100 diseño de este archivo es procedural, ya que la ejecución del programa se lleva 101 a cabo mediante la invocación de diferentes funciones o subrutinas. 102 103 Los métodos que se encuentran en este archivo además de la (función principal 104 `main`) son: `initialise_monitor_handles`, `HAL_Init`, `SystemClock_Config`, 105 `MX_GPIO_Init`, `MX_USART2_UART_Init`, `app_init`, `app_update` y 106 `Error_Handler`. 107 108 La función o método `initialise_monitor_handles` se encarga de inicializar o 109 configurar como se manipula la entrada y salida, por ejemplo con `printf` al 110 momento de depurar el código, en particular se utiliza el protocolo UART para 111 comunicarse con la computadora, es por esto que se inicializa con la función 112 `MX_USART2_UART_Init`. 113 114 La función `SystemClock_Config` como se indica en el nombre configura los 115 relojes internos del microprocesador, como ser las fuentes y los pre-escaladores 116 de los buses y los timers. La velocidad del microprocesador se almacena en la 117 variable global `SystemCoreClock`, esta variable se debe actualizar si se cambia 118 la velocidad del microprocesador. 119 120 Cuando se ejecuta la función `HAL_Init` se inicializa los estados internos de la 121 librería HAL (Hardware Abstraction Layer) lo que incluye el timer `SysTick`, 122 cuyo estado se almacena en la estructura global del mismo nombre. `SysTick` se 123 utiliza para generar una interrupción por cada milisegundo, para esto cuenta 124 desde `SystemCoreClock/1000` hasta 0, por ejemplo, para una frecuencia de 64MHz, 125 el el timer cuenta desde 64000 hasta 0, lo que produce una interrupción exacta 126 por milisegundo. 127 128 La función `Error_Handler` se ejecuta en caso de error pero no tiene una 129 funcionalidad definida. Por ultimo en la función `main` se inicializa la 130 aplicación con `app_init` y en cada ciclo se actualiza el estado de la 131 aplicación con `app_update`. 132 133 ### Archivo `app/src/app.c` 134 135 En este archivo se definen las funciones `app_init` y `app_update` que se 136 invocan en la función `main`, y se define el callback `HAL_SYSTICK_Callback`, 137 este ultimo es una función que previamente ya estaba definida pero de manera 138 débil en la librería HAL, y se inicializa al momento de invocar `HAL_Init`, esta 139 función se ejecuta cada 1 milisegundo debido a una interrupción generada por un 140 timer. El callback se define de manera tal de incrementar el contador global de 141 ticks de la aplicación `g_app_tick_cnt` y el interno de cada tarea 142 `g_task_*_tick_cnt`, de esta manera, cada vez que el contador de cada tarea y de 143 la aplicación dejan de ser nulos (en cada milisegundo) la aplicación y las 144 tareas se deben actualizar. 145 146 Cada vez que se ejecutan las tareas se mide el tiempo de ejecución contando los 147 microsegundos que se tarde en ejecutar esa tarea, el peor de los tiempos de 148 ejecución se guarda en el dato `WCET` de cada tarea. La aplicación también lleva 149 un registro del tiempo de ejecución en microsegundos que se tarda en ejecutar 150 todas las tareas, y resulta de la suma del tiempo de ejecución cada tarea, el 151 resultado se guarda en la variable global `g_app_runtime_us`, esta variable se 152 actualiza en cada ejecución de las tareas, ademas se ha agregado la variable 153 `g_app_WCET_us` en la cual se guarda el peor tiempo de ejecución de todas las 154 tareas desde que se inicio el microcontrolador. 155 156 Analizando la evolución de la variable `g_app_WCET_us` se ha detectado el 157 impacto de imprimir texto en la consola con `LOGGER_INFO` en el tiempo de 158 ejecución de la aplicación, así como analizando el dato `WCET` de cada tarea. 159 Sin impresión el tiempo aproximado de ejecución de una tarea es menor a 10 us, 160 mientras que utilizando `LOGGER_INFO` el tiempo se incrementa 95 ms 161 aproximadamente, esto hace que el peor tiempo de ejecución de la aplicación se 162 incremente de 13 us a 106 us. 163 164 ### Archivo `app/src/task_sensor.c` 165 166 En este archivo se implementa las funciones del modelo sensor, el cual se 167 modela, como multiples botones, utilizando una maquina de estados por cada uno. 168 169 Las subrutinas que se presentan son `task_sensor_init`, `task_sensor_update` y 170 `task_sensor_statechart`. La primera `task_sensor_init` se invoca por única vez 171 al iniciar la tarea (cuando se invoca `app_init`) e inicializa las variables de 172 todas las maquinas de estados de modelo sensor disponibles (definidas en 173 `task_sensor_cfg_list` y `task_sensor_dta_list`). Las ultimas dos subrutinas 174 `task_sensor_update` y `task_sensor_statechart` se invocan continuamente en el 175 superloop, al invocar `app_update`, en particular en `app_update` se llama a 176 `task_sensor_update` y esta internamente invoca la función 177 `task_sensor_statechart`, la cual actualiza el estado de cada una de la maquina 178 de estados disponibles del modelo `task_sensor`. 179 180 ### Archivo `app/src/task_sensor_attribute.h` 181 182 En este archivo se describen los atributos de la maquina de estados del modelo 183 sensor, como son los eventos que recibe y los estados posibles, también se 184 definen las estructuras que representan esta maquina de estados, de manera tal 185 de poder representar multiples sensores. 186 187 ### Archivo `app/task_sensor.png` 188 189 En este archivo se presenta el diagrama de estados completo de la maquina de 190 estados que representa al sensor. Por ser un diagrama de estados se muestran 191 todos los posibles estados, como también el inicial, y como cambian estos al 192 recibir eventos. 193 194  195 196 ### Archivo `app/src/task_system.c` 197 198 En este archivo se implementa las funciones del modelo system, el cual se 199 modela, como una única maquina de estados. 200 201 Las subrutinas que se presentan son `task_system_init`, `task_system_update` y 202 `task_system_statechart`. La primera `task_system_init` se invoca por única vez 203 al iniciar la tarea (cuando se invoca `app_init`) e inicializa las variables de 204 la maquina de estados del modelo system (definidas en la instancia de la 205 estructura `task_system_dta_t`, `task_system_dta`). Las ultimas dos subrutinas 206 `task_system_update` y `task_system_statechart` se invocan continuamente en el 207 superloop, al invocar `app_update`, en particular en `app_update` se llama a 208 `task_system_update` y esta internamente invoca la función 209 `task_system_statechart`, la cual actualiza el estado de la maquina de estados 210 del modelo system de acuerdo al estado en que este y los eventos que se reciben. 211 212 ### Archivo `app/src/task_system_attribute.h` 213 214 En este archivo se describen los atributos de la maquina de estados del modelo 215 system, como son los eventos que recibe y los estados posibles, también se 216 definen las estructuras que representan esta maquina de estados. 217 218 ### Archivo `app/src/task_system_interface.h` 219 220 En este archivo se define una serie de subrutinas para interactuar con el modelo 221 system, de manera de enviar y recibir eventos, por ejemplo recibir eventos del 222 modelo system y enviar eventos al modelo actuator. 223 224 Las subrutinas que se definen son `init_queue_event_task_system`, 225 `put_event_task_system`, `task_system_ev_t get_event_task_system` y 226 `any_event_task_system`. 227 228 ### Archivo `app/task_system.png` 229 230 En este archivo se presenta el diagrama de estados completo de la maquina de 231 estados que representa al sistema. Por ser un diagrama de estados se muestran 232 todos los posibles estados, incluyendo el estado inicial, y como cambian estos 233 al recibir eventos. 234 235 