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2021年10月10日 星期日

【嵌入式系統基礎原理與實務課程】 GPIO單元之簡介推廣

 🥸 最近在本園區所開設的 「嵌入式系統基礎原理與實務課程」內，和幾位工程師學員講解到GPIO的部分，頗有感觸。


GPIO (General-Purpose Input/Output)的應用看似簡單，但其背後的原理可有著不少學問。

如果以呼叫現成的API函數的方式來達成之前demo影片中以GPIO驅動LED亮/滅的簡易功能，整個過程大概只要2分鐘 (例如如果使用Arduino UNO這種板子上就有現成LED的開發板，就連外接LED的動作和時間都可以省了，搭配digitalWrite這類的現成函數真的只要2分鐘就可以完成)，但事情的完整真相真的「只有」這麼簡單嗎❓❓ 這樣就是了解GPIO了嗎❓

‼事實上‼ 其應用功能(表面)背後的韌體、與GPIO結構驅動原理(從CPU到記憶體單元中去讀到你寫好且被Compiler編譯完成的machine code到驅動GPIO周邊，GPIO的數位高低電位是如何輸出驅動或讀取，詳情是怎麼一回事)，可以講解好幾個小時，

韌體開發並不是純軟體開發，如果是驅動周邊 (Peripheral周邊裝置，詳見註1)的軟韌體開發工程師來說，一位有心於研發工作的工程師是有必要去精進加強自己對於軟韌硬體的基礎知識和了解，

這些很可能是許多軟韌體工程師過去在學校課程內所沒學過、甚至到工作後也從沒去思考過的內容，課程希望帶給學員不同的技術視野並啟發思考。

❗ 本園區開設的課程的GPIO課程內容會包含:

👉介紹標準MCS51的Intel官方Datasheet GPIO的相關內容

👉從了解MCU從執行你所撰寫的C code (被C51 Compiler編譯為數位訊號碼，也就是0和1組成的、符合MCS51指令集的機械碼 實際上是長什麼樣子?) 與Assembly language(組合語言)的關係是什麼? 而這些machine code是被燒錄到哪裡? 又是如何被MCU內的CPU所執行? 和I/O周邊裝置的關係又是什麼?

👉GPIO Port內的運作原理是什麼? 如何從GPIO輸出數位的High & Low電位? 如何由GPIO讀入數位的的High & Low電位? (可舉一反三了解其它MCU的稍有不同的GPIO架構)

👉在一般常見的GPIO外部元件驅動基礎應用下，基礎MCU/SoC外部介面電子電路原理講解，這包含類比電路與數位電路的相關基礎知識，例如如何用BJT、MOSFET做簡單的開關應用、如何和MCU/SoC的GPIO搭配?

👉何謂上拉(Pull-up)/下拉(pull-down)電阻? 何謂開汲極(Open drain)?

👉為什麼Standard 8051 MCU的GPIO Port0作高電位輸出應用時，需要外加上拉電阻(pullup resister)才能使用?

👉Standard 8051 MCU的GPIO Port0和Port2是如何存取外部記憶體(雖然現代很少這樣用了，但就學習專業的角度而言仍有了解該原理的學習價值)，Port0又是如何兼具存取external memory時的Address bus和Data bus功能?

👉MCU/SoC內的CPU是如何存取周邊的 (如課程介紹所述，我們不只介紹8051，只是把8051當成講解與實驗教材)、何謂memory map I/O? 何謂Port map I/O? 這兩種方式有何差異? 8051 MCU內的CPU去存取I/O是屬於哪種方式?

👉實際韌體撰寫/燒錄/電路接線實驗 等實作教學

👉在課程介紹完8051 MCU內部組織原理的各單元之後，還會有各式的外部元件驅動原理與實驗教學 (可參見課綱介紹)

藉由上述的方式，讓學員完整了解電腦系統(包含嵌入式系統)「韌體」開發的基礎紮實與本質。

下方講義內容中的8051 PORT架構原圖參考自Intel MCS51 user manual而繪製，而講義為個人整理編寫

課程講義內容
課程講義內容

Intel MCS51 User manual/Datasheet

課程實驗內容

課程實驗內容


🔎註1: Peripheral就是周邊裝置，以MCU/SoC內部的來說，例如GPIO、UART、I2C、SPI、ADC、DAC、USB、.......(族繁不及備載)都是Peripherals，但現在很多年輕學生(不分政治立場)都只聽過「外設」 (外部設備)，因為大陸的嵌入式系統技術文章都是這樣講，而台灣近年來很缺乏嵌入式底層技術詳細探討類的網路文章)

‼課程進一步詳情請參見下方blog網頁的課程介紹👇:
張貼者： 於
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