Laiteohjelmiston sovitus uuteen µC-arkkitehtuuriin

Abstract

Jokainen mikrokontrolleri tekee käytännössä samat asiat hieman eri tavalla. Esimerkiksi IIC-väyläohjain keskustelee aina standardin mukaisesti ulospäin, mutta sisäisesti ohjaus- ja datarekisterit ovat valmistajakohtaisia. Prosessorit ovat oma lukunsa - käskykannat eroavat huomattavasti valmistajien välillä. Kehittyneet kääntäjätyökalut tekevät samasta C-ohjelmakoodista toimivan binäärikoodin mille vain prosessoriperheelle, joten ongelmaksi jäävät eriävät oheislaitteet.

TreLab Oy tekee mittalaitteita teollista internetiä (IIoT) varten. Ensimmäinen tuote rakennettiin tietyn mikrokontrollerin ympärille, mutta luonnollisesti kehityksen tulee jatkua. Olisi äärimmäisen kustannustehotonta kirjoittaa käytännössä sama ohjelmakoodi uudestaan ja uudestaan jokaiselle mikrokontrolleriarkkitehtuurille. Ratkaisu ongelmaan on kerrosarkkitehtuuri, joka abstrahoi laitteistorajapinnan yleiskäyttöiseltä ohjelmakoodilta. Vain mikrokontrollerikohtainen koodi pitää sovittaa yleisten rajapintojen alatasoille.

Tässä työssä luotiin ensimmäinen prototyyppiohjelmisto ja -laitteisto uuden mikrokontrollerin ympärille. Molemmat kontrollerit olivat Atmelin valmistamia, joten Atmelin ASF-ohjelmistokehys nopeutti kehitystyötä huomattavasti. Kaikki alustustoimenpiteistä oheislaitteiden kanssa kommunikointiin ja flash-muistin käsittelyyn saatiin tehtyä nopeasti valmiilla kokonaisuuksilla. Jatkokehittely luultavasti irtaannuttaisi tehtyjä toteutuksia etenkin ASF:n ylemmiltä rajapinnoilta, mutta tämän työn tavoitteena oli tehdä mahdollisimman nopeasti toimiva prototyyppi.

Ympäröivän koodipohjan nopea kehitys aiheutti suuriakin muutoksia omaankin koodiin lähes päivittäin. Vain muutama kuukausi käytännön osuuden valmistumisen jälkeen vaille ylläpitoa jäänyt, hiomaton koodi oli jo huomattavasti päähaaraa jäljessä.

Työstä suoriuduttiin työnantajan puolesta hyväksyttävästi kohtuullisessa ajassa. Työ oli hyvä pohjatyö minkä vain mikrokontrolleriarkkitehtuurin sovittamiseen tulevaisuudessa.

Every microcontroller does virtually the same thing, but in a manufacture-specific way. For example an IIC bus controller will always behave as specified in the standard, but the hardware implementation varies from vendor to vendor. The control and data registers will differ between systems. CPUs are in a class of their own with wildly varying instruction sets. However modern, advanced compiler toolchains will turn the same C program into an optimized binary for any popular architecture. Thus the multitude of peripherals poses much more of an issue.

TreLab Ltd. develops sensor solutions for the Industrial Internet of Things (IIoT). The first product was built around a specific microcontroller, but naturally there will be a change along the way. It would be highly inefficient to write practically the same program code again and again for every µC-architecture used. Using a layered software architecture mostly solves the issue. Abstracting the hardware from the application layer means that the only parts that need to be rewritten are the hardware-specific parts.

The subject of this thesis was to create the first prototype software and hardware around a new microcontroller. Both the new and old controllers were manufactured by Atmel, so the extensive Atmel Software Framework rapidly sped up development. Everything from initializing the hardware to communicating with the periphery were straightfor-ward to develop with ready-made software components. Further development would likely bring about a separation from the ASF, especially in the higher levels. However the objective was to first make a working prototype.

The rapid development of the overlying software architecture required changes to the prototype in a day to day basis. Just a couple of months after finishing the prototype, the unmaintained and rather raw code base was already significantly behind the main branch. Long gone are the days of the waterfall model.

The prototype reached a state of approval from the employer in a reasonable time. The thesis serves as a good basis for porting any architecture in the future.