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2021年8月23日 星期一

Beablebone Black或Nano Pi很適合拿來作為Embedded Linux的研究/學習平台!

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先聲明,這篇不是工商服務廣告,單純介紹和分享一些嵌入式系統板子的使用經驗。

BeagleboneBlack(BBB)這板子真的蠻不錯的,

除了上面的AM3358 SoC系統晶片維持TI SoC的一貫風格(TI OMAP系列SoC也是如此) 釋出很多SoC的詳盡手冊資料(眾多開發板上的SoC款式,我看過釋出資料最詳細的就是他們公司)、很適合拿來做有深度的研究之外,

也真的很適合拿來做技術教學,

TI官方網站的AM3358 SoC頁面(上面提供許多詳盡的資料)


BeagleboneBlack板子的schematic(電路圖)PCB設計都有公開,而板子上的User LED有4個,

很方便拿來做Linux Kernel Device Driver串接上層user space的Application program(藉由system call機制存取底層資源)的相關基礎教學Demo用~  

還可順便講解一些基礎的介面電子電路原理 (對較篇向純軟體背景或者非電機電子科系的學員們,也會有不少幫助)。


                                                              圖諞來源: Beaglebone black電路圖
https://github.com/beagleboard/beaglebone-black/blob/master/BBB_SCH.pdf?raw=true



圖諞來源: Beaglebone black電路圖
https://github.com/beagleboard/beaglebone-black/blob/master/BBB_SCH.pdf?raw=true


圖諞來源: https://elinux.org/Beagleboard:BeagleBoneBlack#Minix_.28Discontinued.29


也可以從Beagleboard官方網站連進去觀看各種資訊和資源~

Beagleboard官方網站


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另外,像是Nano Pi系列的板子也很棒喔,

除了期價格和性能比很好,

其相關的技術文件資訊(如其相關的技術文件資訊連結2)也算頗為豐富,電路圖資訊也很完全,

而板子上面的核心SoC系統晶片的方面,

除了社群網頁上放置其SoC的架構和完整的規格資訊之外(Datasheet),其原廠Allwinner也有在wiki page他們的官方網站上放置關於晶片的介紹。

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其它也還有許多很不錯的嵌入式系統開發板,未來若有機會的話再一一介紹,也歡迎各家廠商來洽推廣談合作方式!

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【好書介紹】電腦技術並不是只有軟體! 介紹一本介紹Intel 80x86為核心的IBM電腦系統軟硬體的好書

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因為搞不清楚狀況的人很多(執著表面的年份、新舊),先介紹一款Intel 在2016年所推出的基於x86(1993年推出的Pentium) ISA Compatible CPU 的Inte lQuark系列 微控制器(MCU): D2000

該MCU內的CPU的類型是1993年推出的Pentium(本來是要被命名為80586) ISA Compatible的CPU,在這款2016年推出的MCU的Intel官方Datasheet內的介紹可見下圖紅框圈起處

- 其內部CPU info :

32 MHz, 32 bit, single core, single thread, Pentium ISA compatible (如果看不懂這是x86的人,請自己google一下,做點功課,或見下圖的Intel官方手冊內容)

https://static6.arrow.com/aropdfconversion/3675d6354c6d8ac364213bdd827aacc81c93c43d/119736798394079quark-d2000-datasheet.pdf


- 其內部I/O :

SPI, I2C, GPIO, SPI, Comparators, ADC, PWM, DMA, UART

- Wikipedia的Intel Quark系列介紹: 

Intel Quark is a line of 32-bit x86 SoCs and microcontrollers by Intel, designed for small size and low power consumption, and targeted at new markets including wearable devices. The line was introduced at Intel Developer Forum in 2013.

...... However, in 2016 Arduino released the Arduino 101 board[3] that includes an Intel Quark SoC.

https://en.wikipedia.org/wiki/Intel_Quark

- Datasheet

https://static6.arrow.com/aropdfconversion/3675d6354c6d8ac364213bdd827aacc81c93c43d/119736798394079quark-d2000-datasheet.pdf

- Wikipedia的Pentium系列內容介紹: 

https://en.wikipedia.org/wiki/Pentium

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執著技術和平台的表面年份數字、或者人云亦云沒有必要重點在於是否合適

很多事情,尤其是電腦技術領域,真的不見得是越舊的年代的東西就代表完全過時無用,事實上有許多技術概念真的都是通用的,而去了解80x86和其相關系統設計的觀念,也是一樣的。

真實的專業研究之所以有價值,原因也在於此,技術不限於年份數字的這種表象,只要是適用、可解決或改善問題的idea觀念,都極有可能再拿出來被使用。

例如8051已經是40年的老MCU IP,但從台灣一線的IC設計公司公告的職缺內容可看出,至今仍有著需要了解8051的能力的工程師職缺,可參見我的下方PO文 (點選 查看更多)


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先聲明,這篇不是工商服務廣告,單純介紹過去讀過的電腦技術類的好書

這本80x86 IBM PC and Compatible Computers Assembly Language, Design, and Interfacing Volumes I & II , 2002年出版,作者是Muhammad Ali Mazidi和Janice Gillispie Mazidi,出版社為Prentice Hall(Pearson)。

https://www.amazon.com/80X86-IBM-Compatible-Computers-Interfacing/dp/013061775X

中譯版書名為: IBM PC and Compatible Computers Design, and Interfacing - IBM PC系統設計與介面技術(第四版),東華書局出版,譯者為 方志鵬。 

這本書涵蓋了很多電腦系統的軟韌硬體基礎觀念內容,在當年(十幾年前,大約19歲的時候)給了我不少啟發。

和 計算機組織/結構課本(科目)的一個不同之處在於,這本書或這類的科目會實際介紹8086/8088/80286/.../Pentium等微處理器IC及一些組合語言程式之外,也會介紹一些關於 介面電子電路 以及許多周邊IC與硬體(如8288 bus controller、8284 clock generator、記憶體介接電路、Programmable I/O的8255、LM34/35溫度Sensor、ADC0848、DAC808、8259中斷控制器、8253 Timer、LCD驅動、步進馬達驅動、 DMA 8237、UART 8250、UART轉RS232電壓位準轉換器、硬碟、鍵盤、印表機、數學運算coprocessor、視訊、以及其它許多IC,包含與微處理器IC之間的各種實際訊號狀態)的內容。

雖然這本書介紹的許多IC的型號比較舊,但是許多基礎原理觀念至今仍是共通的(畢竟電腦技術就是這幾十年來持續演化)。

另外還包含一些支援OS的微處理器的特性基礎,如80386的user/supervisor mode、virtual memory、page table、TLB等觀念,到了高速記憶體介面與存取章節也有各種記憶體的介紹(DRAM、SDRAM、cache memory的存取機制、write through、write back、cache coherence等觀念。後續談到80486時也會介紹到Pipeline;Pentium章節會提到superpipeline、supersclar、Harvard architecture、pipeline hazard、compiler的instruction scheduling、RISC/CISC的特性比較、out-of-order execution、branch prediction;MS-DOS的結構、記憶體管理;PCI、USB bus;BIOS;MS DOS和BIOS的ISR (INT _ _H對應的ISR),涵蓋內容相當廣泛。

許多讀資訊工程系的朋友可能會不太清楚,這門課的名稱通常叫作微處理機與介面設計、微算機原理、介面設計,但現在在學校關於這種科目通常都是拿MCU(微控制器)的開發板來讓學生實驗,而不是像早期真的用微處理機(微處理器,如8086、Z80等)搭配一堆IC的兜成介面的方式來教了。另外,嚴格來說,這門課的範圍比計算機組織的範疇還廣(包含一部分計算機組織的內容),但通常學校只會教到這本書的內容的一小部分。外國的書像是現在介紹的這本比蠻有名,而台灣比較常見的書是台灣科大電子系林銘波老師所出版的一系列微算機原理書籍。

這是一門在本質上很偏向實務和基礎理論觀念並重的課程,許多大學在這方面的教學都很輕忽。此外,這科也並不是研究所指定考科,所以常被忽略,研究所考科通常是計算機組織結構,但是性質和內容仍有不小的差異。

而關於介面硬體電路的方面,是近年來許多國內大學的電資工程系所普遍比較不重視的一環,畢竟現成的硬體用慣了,就容易忽視其存在與重要性。

但其實電腦系統技術絕對不是只有純軟體,若沒有紮實的硬體系統(包含類比式與數位式硬體),軟體哪來的用處呢?就算現在的SoC和MCU的集成度很高,很多週邊硬體都整進去了,但是基礎觀念和介面電路還是少不了啊!



註1: 這裡講的微處理器(微處理機)就真的是傳統所指的 "微處理器"(Microprocessor),例如8086/80286/80386/80486/Pentium IC裏頭就是CPU單元, 而不是微控制器(MCU, Microcontroller)!   並且也不是在指SoC或MCU被稱作的嵌入式微處理器(Embedded Microprocessor)的狀況。

順帶一提,這本書在談到鍵盤的章節,也會介紹到標準IBM PC內的鍵盤內都會有一顆微控制器(MCU),該微控制器內含一顆微處理機(微處理器)、RAM、ROM以及幾個I/O Port,這裡很清楚就可以釐清微處理機和微控制器的差異!

註2: 這本書後續還有續作: The x86 PC: Assembly Language, Design, and Interfacing, 5/e,2009年出版, 作者: Muhammad Ali Mazidi, Janice G. Mazidi, Danny Causey)

https://www.tenlong.com.tw/products/9780135026489




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孫文良 (阿良的嵌入式系統技術學習區)

個人簡介: https://sites.google.com/view/wenliangsun/

【若需要嵌入式系統技術輔導課程 可來信洽談合作方式: iws6645@gmail.com,亦可先參考 課程招生網頁連結

2021年8月20日 星期五

【Embedded Linux(嵌入式Linux)系列課程】Kernel之編譯建置與執行 課程簡介

Embedded Linux系列之Kernel之編譯建置與執行 課程簡介

Kernel為作業系統的核心,是現代作業系統之中最基本也是最主要的單元,簡略而言,Kernel主要負責整體電腦系統的資源管理。

延續上一節Bootloader開機啟動程式建置與執行之課程內容後,這節課程將會帶領學員:

  • 課程實驗內容將透過 純文字指令方式(command line) 進行,符合科技產業界對於此類系統的開發方式

  • Host PC端之Ubuntu Linux開發環境中,取得Linux Kernel source code,並透過GNU Toolchain編譯工具對其進行編譯,以建置出給Beaglebone Blcak嵌入式系統開發板所運行的Embedded Linux Kernel Image

  • 製作Boot script(包含帶給Kernel的必要啟動參數以及與啟動核心相關的UBoot指令)

  • 介紹如何讓Beaglebone Blcak板子從SD卡載入並啟動Linux Kernel Image

  • 介紹在產業界工作常會使用到的透過TFTP(Trivial File Transfer Protocol)從Host PC端載入Embedded Linux Kernel ImageBeaglebone Blcak板子上並且執行的方式 
  • 介紹如何編譯裝置結構樹devicetree source file(.dts)以得到device tree binary(.dtb),及如何透過UBoot將其載入給Linux Kernel

實驗Demo影片(註: 此為尚未建置Filesystem的狀態):

SD卡(MMC)載入並啟動Linux Kernel (透過boot script自動booting)


透過TFTP從Host PC端載入Embedded Kernel ImageBeaglebone Blcak板子上並且執行 
(刻意敲UBoot指令給大家看)



本園區之FB粉絲專頁如下:

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孫文良 (阿良的嵌入式系統技術學習區)

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願意去應對台灣的填鴨考試,其實不能代表一定很聰明;對考試沒興趣,也不代表不聰明。

學生如果對填鴨教育考試沒興趣,不代表能力不好或者不聰明;

而願意準備考試的,也不代表就是聰明,

每個人各有特點專長,不該用某些標準去將人隨意區分高低,對填鴨教育考試沒興趣,不代表能力不好或者不聰明。

這些是華人圈古代科舉思維所帶來的常見迷思,至今一堆人搞不清楚,

這也是名校和學歷迷思的由來。

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台灣人很愛稱台灣的名校大學為頂大,

我個人嗤之以鼻,其實頂大不代表一定真的"頂"(Top),也不代表聰明,小時候會在考試拿到高分,有很大一部分原因只是因為願意服從體制,而在小時候對於考試拿分沒興趣的人也不代表不聰明。我就是個不願意在小時候教育去順從的人,因為當時就感受到填鴨教育意義真的很有限,所以這和聰明不聰明基本上也無直接相關,但華人社會很容易將此兩者混淆,認為能讀名校就是聰明。 

更何況,這十幾二十年來的入學方式"多元",又不是古早年代大家都是走純筆試考試、大家都一樣的方式在入學,到底如何證明能讀名校就是聰明?

我自己從小對於國小國中的填鴨教育嗤之以鼻,認為台灣大多數考試內容真的都是填鴨,台灣的教育沒有培養興趣,基本上就是一直硬塞一些學生自己也不知道為何的學科內容,

我自己最後也是所謂的名校碩士班畢業(在高三從電子學和基本電學了解物理和數學的用途異議後,加上大學階段學習風氣比較自由,深深喜歡上數理學科),去上班的公司年輕同事大多是名校畢業(當然也有一些非名校學歷畢業的,而且看過幾位能力最強的大多是這種人),我在上市櫃IC設計公司負責面試來應徵的工程師,很多位都是名校(有台大有交大有中字輩),但很多人連基本程式語言的的字串比較函數內容都寫不出來。

這兩年為了減少學用落差(理想),又回名校帶所謂名校碩士生,我也寫推薦函推薦了非名校的學生推甄錄取名校碩士班(如果沒特別推薦,按照他的大學學業成績,他連中字輩都很難推上,但很聰明又積極),

這兩年總共帶了多位成功大學碩士生的的碩士論文內容(雖然我不能掛名指導教授,但由其論文內容內的致謝可證明,我都可以講出學生名字)、一些科技部產學計畫和一般計畫、比賽作品專案,

整體來說,我一路上完全沒感受到所謂名校學生特別出色的這點 。

每個人各有特點專長,不該用某些標準去將人隨意區分高低,對填鴨教育考試沒興趣,不能代表能力不好或者不聰明),許多學生雖然讀名校電資組別系所的碩士班,但卻連基本的程式語法、數位邏輯硬體觀念、基本電路觀念都忘光了(或者說可能從沒搞清楚),對專業學習態度消極的名校生也是很多 (未必一定就比非名校生積極,我過去已經舉過很多例子),畢竟很多真的是是願意服從台灣填鴨教育體制而上來大學的,而且台灣有著上大學後就可以開始大玩特玩的文化,且也未必對就讀系所的專業領域有興趣和熱忱。所以才說不該老是以一個人小時候的考試成績來斷定一切。

所以個人認為,讀名校就等於聰明,這種老舊觀念也該拋棄了。且名校大學大多在搞一些績效,重點根本不在教育,

我覺得我高職時期和在非名校科技大學時期受到的環境也沒比許多人所謂的名校還不出色,重點是看個人。

願意服從體制內的考試制度、或者讀名校,除了代表較願意服從體制外,較能代表的其實是家裡有錢 (台大教授自己的統計研究成果的發現,內容如下網頁),還有比較迷信學歷的企業比較願意錄用(但這真的是因為比較聰明或優秀而造成的結果嗎? 還是只是因為這是社會的信仰?)

https://www.twreporter.org/a/education-opportunity-inequality-across-income


之前寫過的相關文章:

當軟硬體研發工程師,一定要數學和物理學科成績很好才適合嗎?

在台灣教育體制下之小時候對數學考試沒興趣,其數學能力就一定會一直爛嗎? 書讀越高越高尚?

- 別再迷信學歷了! 為何不該盲目迷信校名學大學? 原因講給你聽!

- 小時候不喜歡填鴨教育和考試,絕對不代表不聰明。絕對不要放棄自己

- 台灣早期的名校入學條件 和 現在的名校入學條件 狀況一樣嗎? 明顯的社會階級複製,一堆人還搞不清楚狀況

於10年前,在大二暑假時期設計製作的以8051 MCU為核心的PCB電路,順便聊聊某些名校大學系所的推甄文化。

2021年8月16日 星期一

【阿良的嵌入式系統技術學習區】STM32系列MCU韌體程式設計基礎實務 課程內容介紹

課程涵蓋內容如下:

  • 韌體程式常用程式語言
    • 組合語言指令集與MCU架構簡介
      • 以架構簡潔清晰的Intel MCS51指令集為教材範例
    • C語言基礎複習
    • 高階與低階語言(C語言 與 組合語言Assembly)差異介紹與實驗驗證

  • STM32 MCU常見開發環境操作教學
    • ARM KEILC 評估版 整合開發環境(IDE)操作教學
    • STM32CubeMX工具與STM32Cube IDE操作教學
    • 其它IDE簡介(如 IAR)

  • 中斷(Interrupt)機制
    • ARM Cortex-Mx系列搭配之NVIC (嵌套式向量中斷控制器)介紹
    • 中斷優先權實驗

  • 周邊裝置驅動原理與實作
    • GPIO(通用輸入/輸出介面)
      • GPIO架構與驅動原理
        • IO Port結構原理、Open-drain(開汲極)、Push-Pull output(推挽式輸出)、Pull-up、Pull-down等相關硬體電路原理
      • 外部簡易電路整合應用設計原理
      • 輸出驅動實驗(GPO, General Purpose Output)
      • 輸入驅動實驗(GPI, General Purpose Input)
    • Timer/Counter(計時器/計數器
      • 計時器
      • 計數器
      • 輪詢與中斷應用實驗
    • UART (通用非同步串列傳輸通訊介面
      • UART之協定原理
      • 輪詢與中斷應用實驗 (與其它具備UART介面之設備進行通訊實驗
      • RS232與RS485纜線介紹
        • 電氣位準轉換原理
        • 相關IC介紹
    • ADC(類比轉數位轉換器
      • 輪詢與中斷機制  搭配 亮度感測器 進行實驗
    • I²C串列通訊介面
    • SPI串列通訊介面
    • 其它各種周邊裝置、I/O介面或協定(PWM、1-wire、DAC、DMA...)

  • 基礎電子電路與元件應用
      • 類比電子電路 與 數位電子電路 基礎原理觀念
      • 基本電壓、電流量測
      • 二極體
      • 電晶體
        • 如: BJT開關應用、MOSFET (如level shift電路應用)
      • OPA(運算放大器)基本應用
      • 穩壓IC應用介紹
        • 光耦合IC
          • Relay繼電器驅動

        • 進階選修
          • GPIO進階應用之 矩陣多按鈕鍵盤 掃描輸入演算法
          • GPIO進階應用之 多合一七段顯示器 掃描輸出演算法
          • LCD顯示驅動
          • 各式無線通訊模組應用(藍牙、ZigBee、LoRa、Wifi等等)
          • 各式感測器應用(如: 溫度、溼度、三軸加速度感測器、陀螺儀、電流感測、pH酸鹼值、ORP氧化還原...等等)
          • 步進馬達驅動
          • 直流馬達驅動
          • 應用專題
            • 物聯網IoT (如 智慧家庭、智慧農業、自動化系統...)
            • 穿戴式裝置(慣性感測、生醫訊號處理應用...)


         


        【阿良的嵌入式系統技術學習區】 嵌入式Linux (Embedded Linux) 基礎實務 課程內容介紹

        課程涵蓋內容如下:


        • 說明:  雖然近年來已經有Yocto、Buildroot、OpenWrt等組件工具可以簡化許多在嵌入式Linux建置過程中的繁複流程(若未來有機會的話,可能會開這些工具的使用教學課程),但是,無論在許多有做SoC的IC design house(IC設計公司) 或者 系統廠 的嵌入式Linux軟韌體相關研發單位,嵌入式Linux各階段軟韌體的基礎建置(包含對應的編譯開發環境的各環節)能力,也就是本課程的教學主軸,仍是非常重要的,在過程中將會學習到許多在進行嵌入式Linux系統開發時所需的基礎觀念和經驗。
        • 在此課程內容中,有著許多細節,通常對於初學者自學而言將會消耗大量的時間在克服一些技術細節方面所帶來的困難,大多需要實際的經驗才能在較短的時間內克服,所以若讓有經驗的人指導,在學習上將會事半功倍。
        • 課程實驗內容將透過 純文字指令方式(command line) 進行,符合科技產業界對於此類系統的開發方式

        • 實驗硬體平台預計為ARM Cortex-A8 based SoC(系統晶片)為核心之開發板(Beaglebone Black)

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        孫文良 (阿良的嵌入式系統技術學習區)

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        2021年8月13日 星期五

        【Embedded Linux(嵌入式Linux)系列課程】Bootloader開機啟動程式之編譯建置與執行 課程簡介

        Embedded Linux系列之Bootloader課程簡介

        Bootloader 為 開機啟動程式,其主要任務簡而言之為在電腦系統上電(Power ON)之初的階段,對系統硬體(包含CPU自身、Clock系統、周邊裝置、DRAM、Storage device等)進行一系列的初始化,並負責啟動作業系統核心(OS Kernel)。

        註: 若拿SoC based嵌入式系統和PC系統作比對,粗略而言,則嵌入式系統的bootloader,即涵蓋了PC系統的BIOS及bootloader的功能(意思就是負責上電之初的硬體初始化與帶起OS Kernel等工作,在嵌入式系統上都是由bootloader負責)。這只是作個粗略的比對/比擬,當然兩種系統在細節上還是有些差異。

        本課程將會帶領學員:

        • 在Host PC端之安裝於虛擬機器的Ubuntu Linux distribution環境中,透過純文字指令式(command line)之方式進行開發(讓學員了解Embedded Linux系統於產業界的常見開發方式)
        • 使用GNU編譯工具練(GNU Toolchain)對UBoot source code進行編譯,建置出MLO或稱x-loader的SPL (Secondary program loader) 與 uboot.img (Third stage program loader),並且於核心系統晶片(SoC)為ARM Cortex-A8 CPU based AM3358的BeagleboneBlack RevC開發板上執行
        • 針對課程實驗內容所用到的Storage Device(SD Card)作妥適的分割與格式化處理
        • 介紹UBoot的部分常用指令並引導學員進行實作練習
        • 背景基礎觀念
          • Bootloader運行流程,從ROM Code(bootROM)到MLO (SPL, Secondary program loader)階段,再到 uboot.img (Third stage program loader)的執行流程基礎原理
          • 相關軟韌硬體平台觀念(non-OS/OS based系統差異、MPU/MCU/SoC、DRAM/SRAM、NOR/NAND/eMMC flash memory特性,何謂Memory map I/O與Port map I/O)

        UBoot於BeagleboneBlack開發板之執行之畫面 (尚未置入Linux Kernel與filesystem)如下影片。

        註: 實驗用開發板並不一定只限於BeagleboneBlack,若學員希望使用/學習其它款式的硬體平台,請事先與講師討論協議。


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