لغة سي و متحكماتمقالات

شرح ميزة Bit-Banding في معالجات ARM Cortex-M3/M4

مقدمة

إذا كنت جزء من فريق تطوير برنامج لجهاز مضمّن معقد و متعدد المهام فلا بد أنك استخدمت متحولات مجزّأة إلى بتات أو ما يسمى bit-field variables. في عملي السابق كنت في فريق تطوير لجهاز تعقب خاص بالسيارات وكان البرنامج من تطوير الشركة بالكامل من الأدنى إلى الأعلى حيث كان البرنامج مسؤول عن تنظيم التواصل بين المتحكم الصغري المستخدم وكل من GSM و GPS و Zigbee/WiFi و التواصل التسلسلي Serial RS-232 و RTC. بالإضافة إلى مهام التحصيل التماثلي ADC وبعض المخارج والمداخل الرقمية. بهذا المستوى من التعقيد إما ستحتاج لاستخدام أحد أنظمة الزمن الحقيقة RTOS الموجودة مثل FreeRTOS والتي تحتوي كجزء أصلي من ميزاتها تنظيم وجدولة الأحداث Tasks scheduling أو أنه ستستخدم منهجية معينة باستخدام لغة السي – كحالتنا هنا – حيث تم تخصيص لكل حدث متحول بطول 1 بت يشير بحدوثه True أو عدم حدوثه False.

ولكن لماذا نخصص بت واحد لكل متحول لماذا لا تحجز متحول واحد كامل. الجواب ببساطة: ذاكرة المتحكم الصغري المحدودة أصلاً ستتآكل بسرعة وستؤدي إلى نفاذ الذاكرة بسرعة. ولكن باستخدام هذه الطريقة bit-field variables ستحجز نفس المتحول وتقسمه على أكثر من حدث لأنك تحتاج لكل حدث بت واحد فقط يأخد قيمة 0 أو 1.

كحالة استخدام أخرى لهذه الطريقة؛  تمثيل بعض البروتوكولات على شكل struct والمتحولات تكون مقسمة فيها على مستوى البت وبالتالي يمكنك تمثيل الـframes مع توفير جيد في مساحة الذاكرة. يرجى مراجعة مقال استخدام الـ struct و الـunion في النظم المضمنة.

لكن كأي حل هندسي على وجه الأرض، العلاقة لا تكون دائماً ربح-ربح وإنما ربح-خسارة. إن bit-fields توفر أماكن في ذاكرة المعطيات وتوفر طريقة أسهل للنفاذ لها عوضاً عن استخدام عمليات معالجة البتات من قبل المبرمج والتي تسمى bitwise. لكن على المقابل سيقوم المعالج/المترجم compiler بهذه المهمّة بالنيابة عنك دون أن تراها حيث سيقوم بعمليةREAD-MODIFY-WRITE  في كل مرة تقوم بالنفاذ لهذا البت(مجموعة البتات) لأنه كما اتفقنا هو في متحول أكبر مشترك بين عدة متحولات أخرى ذات نوع bit-field لذلك وبشكل مخفي في كل عملية نفاذ سيتم قراءة قيمة هذا المتحول المشترك وتخزينها في مكان مؤقت من الذاكرة ثم تعديل قيمة البتات المطلوبة ومن ثم إعادة قيم البتات التي لم يتم تعديلها للمتحول المشترك(هذه العملية تسمى READ-MODIFY-WRITE). بالتالي صحيح أنه قد وفرنا مكان في الذاكرة ولكن سببنا معالجة من طرف المعالج أكثر. هذا يخلق إشكالية أخرى وخاصة عند اعتماد هذه المتحولات في الأجزاء الحساسة من الكود حيث يمكن أن تحدث مقاطعة بين عملية طلب القراءة/الكتابة وبين حدوثها فعملية القراءة من هذه المتحولات غير ذريّة non-atomic وقابلة للمقاطعة.

لأجل هذه الغاية، تم إضافة ميزة في معالجات ARM Cortex-M3/M4 (والتي تستخدم نواة في كثير من المتحكمات الصغرية هذه الأيام) لتحسين هذه العملية وجعلها مدعومة من قبل الهاردوير نفسه وليس برمجياً فقط وتسمى هذه الميزة Bit-banding.

ماهي ميزة Bit-Banding ؟

أحد الأمور التي تشغل بال المطور أثناء تطوير البرنامج هو أن يكون قابل للعمل على أكثر من متحكم صغري واحد portable. إن ميزة bit-fields هي ميزة غير معيارية بين كل المترجمات compilers لذلك لا ينصح دوماً باستخدامها، ولكن عندما تكون هذه الميزة مدعومة من المعالج نفسه فإن المطور لا يقلق من استخدامها بين أكثر من متحكم صغري طالما أنها تستخدم نفس المعالج.

إن معالجات ARM Cortex-M3  لديها منطقة بطول 1 MB في ذاكرة SRAM تسمى هذه المنطقة bit-band region. في هذه المنطقة يمكن النفاذ لكل بت على حدى وبعنوان فيزيائي مستقل (ليس كحالة bit-field حيث أكثر من متحول له نفس العنوان الفيزيائي) وللنفاذ لهذه المنطقة لا يتم النفاذ بشكل مباشر وإنما عبر منطقة عناوين أخرى تسمى bit-band aliased region حيث يشير العنوان في هذه المنطقة لبت واحد من المنطقة الأصلية. وبما أن المعالج ARM Cortex-M3 ذو طول معطيات وعنونة 32 بت فإنه حجم bit-band aliased region بداهةً هو 32 MB.

ARM Cortex-M3 Memory Map: The bit-band region starts with 0x20000000 address and the alias starts with 0x22000000. Adapted from: Cortex-M3 Technical Reference Manual
ARM Cortex-M3 Memory Map: The bit-band region starts with 0x20000000 address and the alias starts with 0x22000000. Adapted from: Cortex-M3 Technical Reference Manual

إن النفاذ لهذه المنطقة bit-band region يتم عبر ناقل النظام system interface bus وعملية الـREAD-MODIFY-WRITE هنا والتي كانت تتم من قبل المترجم (الكود) في حالة الـ bit-field أصبحت تتم بمعرفة المعالج وبشكل ذرّي Atomic غير قابل للمقاطعة.

تتوفر هذه الميزة أيضاً من أجل سجلات الطرفيات بطول 1 MB وبنفس الآلية سابقة الذكر

Adapted from: Cortex-M3 Technical Reference Manual
Adapted from: Cortex-M3 Technical Reference Manual

وفي المخطط التالي توضيح لكيفية النفاذ للبتات في منطقة bit-band من خلال العناوين في منطقة bit-band alias.

Adapted from: Cortex-M3 Technical Reference Manual
Adapted from: Cortex-M3 Technical Reference Manual

ميزات استخدام الـ bit-Banding (تطبيقات)

  1. تغيير قيم السجلات بعملية ذريّة Atomic لا يمكن مقاطعتها.
  2. إنشاء متحولات من نوع bit-field ولكن لا تعتمد على المترجم لفهمها (مدعومة من الهاردوير نفسه).
  3. توصيف implement تطبيقات النقل التسلسلي عبر أرجل الـ GPIO (أو ما يسمى bit-banging).

مثال 1

أولاً علينا حساب قيمة عنوان النفاذ للبت في منطقة bit-band. هذه المعادلة مقتبسة من Cortex-M3 technical reference manual:

bit_word_offset = (byte_offset x 32) + (bit_number × 4)
bit_word_addr = bit_band_base + bit_word_offset

حيث

Bit_word_offset is the position of the target bit in the bit-band memory region.
Bit_word_addr is the address of the word in the alias memory region that maps to
the targeted bit.
Bit_band_base is the starting address of the alias region.
Byte_offset is the number of the byte in the bit-band region that contains the targeted bit.
Bit_number is the bit position (0-7) of the targeted bit.

سوف نستخدم هذه الميزة من أجل جعل رجل موصولة مع ليد تأخذ قيمة 1 عندما نضغط على زر وقيمة 0 عندما نحرر الزر. وسأستخدم لهذا الغرض المتحكم الصغري EFM32LG وتحديداً الكيت EFM32LG STK3600 الذي يحوي على معالج ARM Cortex-M3.

Cortex-M3 Memory Map
Cortex-M3 Memory Map

هناك مجموعة من القيم المستخدمة للقيام بالعملية الحسابية وهي العنوان الأساس base address لمنطقة الـ bit-band للطرفيات perphiral والتي تحوي السجلات ومن ضمنها سجلات خاصة بالـ GPIO سواءً لقراءة قيمة الزر أو لإخراج القيمة لليد.

وهذا الماكرو macro خاصة بإجراء العملية الحسابية لحساب العنوان. هذا الماكرو مكتوب باستخدام C micro processor (مقالة للاستزادة)

 

وهذه العناوين خاصة بسجلات الخرج DOUT والدخل DIN للبوابة E و B (حسب توصيلات الكيت مع الليد والزر)

ملاحظة: لقد تم استخدام البنى #if #else للتنقل بين استخدام الطريقة العادية لقراءة وتخريج القيم على الـGPIO وبين استخدام الـbit-band

مثال 2

1- لنضبط العنوان 0x20000000 بالقيمة 0x00000AAC عبر النفاذ المباشر دون استخدام خاصية الـ bit-band.

0x00000AAC
0x00000AAC

2- لو قرأنا العنوان 0x22000008 وهو عنوان البت الثالث في العنوان 0x20000000 ستكون قيمته 1.

3- لو كتبنا في 0x22000010 القيمة واحد سيصبح البت الخامس في 0x20000000 واحد وبالتالي ستصبح القيمة الكليّة 0x00000ABC.

[the_ad id=”2268″]

مراجع ولقراءة المزيد

Yahya Tawil

مهندس نظم مضمّنة مهتم بالعتاد مفتوح المصدر وولد في نفس العام الذي ولد فيه نظام تشغيل لينكس. يحيى هو مدير التحرير في عتاديات ويؤمن بأهمية المحتوى المكتوب المجاني والنوعي والعملي. خبرته في مجال النظم المضمّنة تتركز في كتابة البرامج المضمنة وتصميم الدارات المطبوعة والنظرية وإنشاء المحتوى.

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *