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制约性能因素
逻辑分析仪的方案有很多种，产品级别的一般都使用FPGA进行数据采集。
仅使用stm32比较简易，有以下制约因素
- 内存大小
- 数据采集速率
- 上报速率
协议
使用SUMP协议，使用串口通信
命令
| 命令 | 命令值 | 作用 |
|---|---|---|
| CMD_RESET | 0x00 | 复位下位机 |
| CMD_ID | 0x02 | 让下位机上报ID |
| CMD_METADATA | 0x04 | 让下位机上报参数 |
| CMD_SET_BASIC_TRIGGER_MASK0 | 0xC0 | 使能某个通道的触发功能 示例数值：0x01 0x02 0x00 0x00 表示channel0, 9 使能了触发功能 |
| CMD_SET_BASIC_TRIGGER_VALUE0 | 0xC1 | 设置通道的触发值 示例数值：0x01 0x00 0x00 0x00 表示channel 0的触发值为高电平 channel 9的触发值为低电平 |
| CMD_SET_BASIC_TRIGGER_CONFIG0 | 0xC2 | 最后一个字节的bit3为1表示启动触发功能 示例数值：0x00 0x00 0x00 0x08 |
| CMD_SET_DIVIDER | 0x80 | 根据用户设置的采样频率计算出分频系数 注意： 当采样频率大于100MHz时，会"Enable demux mode"，让逻辑分析工作于200MHz，分频系数=200MHz/采样频率 - 1 当采样频率小于100MHz时，分频系数=100MHz/采样频率 - 1 示例数值：0xf3 0x01 0x00 0x00 0x01f3=499=100MHz/200KHz - 1 |
| CMD_CAPTURE_SIZE | 0x81 | 使用1个命令发送READCOUNT、DELAYCOUNT两个参数 示例数值：0x0c 0x00 0x0c 0x00 前2字节表示要采样的次数为0x0c * 4 = 48 后2字节表示要延迟的次数为0x0c * 4 = 48 |
| CMD_SET_FLAGS | 0x82 | 设置flag，比如使用启动demux模式，根据用户选择的通道，使能group(见后面注释) |
| CMD_CAPTURE_DELAYCOUNT | 0x83 | 示满足触发条件开始采样后，延迟多少次采样，才保存数据 示例数值：0x0c 0x00 0x00 0x00 表示延迟次数为0x0c * 4 = 48 |
| CMD_CAPTURE_READCOUNT | 0x84 | 表示要采样的次数 示例数值：0x0c 0x00 0x00 0x00 表示采样次数为0x0c * 4 = 48 |
下位机回复
CMD_ID的回复
上位机发送CMD_ID后，下位机要回复ID
CMD_METADATA命令的回复
| 上报的数据类别 | 上报的数据 | 说明 |
|---|---|---|
| 0x01 | “name” | 名字 |
| 0x20 | 大字节序的4字节 | 最大采样通道数 |
| 0x21 | 大字节序的4字节 | 保存采样数据的buffer大小 |
| 0x22 | 大字节序的4字节 | 动态内存大小(未使用) |
| 0x23 | 大字节序的4字节 | 最大采样频率 |
| 0x24 | 大字节序的4字节 | 协议版本 |
| 0x40 | 1字节 | 最大采样通道数 |
| 0x41 | 1字节 | 协议版本 |
| 0x00 | 结束标记 |
上报的采样数
它上报的数据是：先上报最后一个采样的数据，最后上报第1个采样点的数据。
设置
采样次数
采样频率
对引脚分组，如有32个引脚，可分为group1到4，group1：channel0~7，group2：8 ~ 15等等。一个组上报一个字节的数据
如果只想使用某些引脚，需要使能或禁止通道。如果禁止group1，需上报3个字节的数据，如果禁止channel2，仍需上报4个字节（组中所有通道都被禁止了，组对应的字节才不需要采集）由于内存很小，都采集的话浪费内存，可以选择设置采集的触发条件
使用开源软件PulseView设置操作
1．设置采样数
2．设置采样频率
3.使能或禁止通道
当groupn里8个通道都禁止的话，那么一次采样就可以少传输1字节。比如group3里的channe116~channel23都被禁止后，一次采样就可以得到3字节数据，bit16原来对应channel16，现在对应channel24，以此类推。
4.设置通道的触发条件
可以设置采样的触发条件（对于使能了触发的多个通道，只要有某个通道的值符合触发条件了，所有通道都会开始采样）：
实现
由于单片机内存小，速度慢，为了实现最高频率采样，采用汇编代码，并且要测量出汇编代码的执行时间，一条汇编指令耗费的时间。当使用较低的采样率时，可以加入延时
准备
汇编指令
读指令（load）：LDR（4bit）LDRH（2bit）LDRB（1bit）把数据从内存加载到寄存器中。
写指令（store）：STR（4bit）STRH（2bit）STRB（1bit）将寄存器中的数据存储到内存中
LDR R0，[R1] //去R1表示的地址读4个字节的数据到CPU的R0寄存器
LDR R1,=0x20000000 //伪指令：编译器会帮我们替换为真正的指令，标识：= 表示把后面的地址 0x20000000加载到 R1 寄存器中，也就是说 R1 现在存储的是一个内存地址
STR R0，[R1] //吧R0的数据写到R1所指示的位置
读GPIO两条指令：
LDR R1,=0x20000000
LDR R0,[R1]延时指令
NOP
精确测量时间
采用示波器或更高级的逻辑分析仪来测量每次操作的耗时（可通过测量GPIO引脚高电平的时间）
void MeasureTime(void)
{
/* 先让引脚为低电平 */
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_15,GPIO_PIN_RESET);
HAL_Delay(100);
/*关中断*/
__disable_irq();
/*汇编指令*/
asm_measure();
/*开中断*/
__enable_irq();
}
THUMB
AREA |.text|, CODE, READONLY
; asm_measure handler
asm_measure PROC
EXPORT asm_measure
; 设置PA15输出高电平
LDR R1, =0X40010810
LDR R0, =(1<<15)
STR R0, [R1]
LDR R1, =0x40010C08
LDR R0, [R1] ; 读GPIOB_IDR100次
LDR R0, [R1] ; 读GPIOB_IDR100次
LDR R0, [R1] ; 读GPIOB_IDR100次
......
LDR R0, [R1] ; 读GPIOB_IDR100次
LDR R0, [R1] ; 读GPIOB_IDR100次
; 设置PA15输出低电平
LDR R1, =0X40010810
LDR R0, =(1<<31)
STR R0, [R1]
BX LR
ENDP
使用汇编来操作GPIO，发现读100次GPIO，耗时4.36us
类似的，可以利用
LDR R1, =0x20000000 LDR R0, [R1] ;
重复执行若干次来测量读内存的时间，测得一次读内存约为15ns
写内存，NOP，逻辑左移右移，加法减法的操作也是类似
还可通过执行某一段代码，在其前面禁用中断，可测出中断函数的时间
精确测量的时间如下
| 操作 | 汇编指令 | 耗时 |
|---|---|---|
| 读取 GPIO0 | //R1 为 0x40010C08 LDR R0, [R1] |
44ns |
| 读内存 | //R1 为 0x20000000 LDR R0, [R1] |
15ns |
| 写内存 | //R1 为 0x20000000 STRB R0, [R1] |
16ns |
| NOP 指令 | NOP | 15ns |
| 逻辑右移 | LSR R0, #8 | 24ns |
| 累加 | ADD R0, #1 | 23ns |
| Tick 中断处理 | 10us |
逻辑分析仪读取数据需以下几步
- 读GPIO，逻辑右移
- 写内存，累加地址
- （是否）延时
去掉延时，循环一次耗时44+24+16+23=107ns，理论上最高的采样频率=1/107ns=9MHz
而STM32F103C8的内存为20K，即使全部用来保存采样的数据，也只能保存20*1024/9000000=0.002秒
在有限的内存里，我们需要提高内存的使用效率：不变的数据就不要保存了
- 定义两个数组uint8_t data_buf[5000]，uint8_t cnt_buf[5000]
- 以比较高的、频率周期性地读取GPIO的值
- 只有GPI0值发生变化了，才存入data_buf[i++]；GPIO值无变化时，cnt_buf[i-1]累加
程序
C语言初实现
采集数据
①禁止中断：这是为了在采集数据时以最快的频率采集，不让中断干扰。但要保留串口中断
，原因在于：上位机可能发来命令停止采样。
②等待触发条件：用户可能设置触发采样的条件
③触发条件满足后，延时一会：没有必要
④循环：以最高频率采样
退出的条件有三：收到上位机发来的停止命令、采集完毕、数据buffer已经满
⑤恢复中断
static void start (void)
{
uint8_t data;
uint8_t pre_data;
volatile uint16_t *data_reg = (volatile uint16_t *)0x40010C08; /* GPIOB_IDR */
g_convreted_sample_count = g_sampleNumber * (MAX_FREQUENCY / g_samplingRate);
get_stop_cmd = 0;
g_cur_pos = 0;
g_cur_sample_cnt = 0;
(void)pre_data;
(void)pa15_reg;
/* 除了串口中断,其他中断都禁止 */
Disable_TickIRQ();
memset(g_rxcnt_buf, 0, sizeof(g_rxcnt_buf));
/* 等待触发条件 */
if (g_triggerState && g_triggerMask)
{
while (1)
{
data = (*data_reg) >> 8;
if (data & g_triggerMask & g_triggerValue)
break;
if (~data & g_triggerMask & ~g_triggerValue)
break;
if (get_stop_cmd)
return;
}
}
data = (*data_reg) >> 8;
g_rxdata_buf[0] = data;
g_rxcnt_buf[0] = 1;
g_cur_sample_cnt = 1;
pre_data = data;
/* 采集数据 */
while (1)
{
/* 读取数据 */
data = (*data_reg) >> 8;
/* 保存数据 */
g_cur_pos += (data != pre_data)? 1 : 0; /* 数据不变的话,写位置不变 */
g_rxdata_buf[g_cur_pos] = data; /* 保存数据 */
g_rxcnt_buf[g_cur_pos]++; /* 增加"相同的数据"个数 */
g_cur_sample_cnt++; /* 累加采样个数 */
pre_data = data;
/* 停止条件 */
/* 串口收到停止命令 */
if (get_stop_cmd)
break;
/* 采集完毕 */
if (g_cur_sample_cnt >= g_convreted_sample_count)
break;
/* buffer满 */
if (g_cur_pos >= BUFFER_SIZE)
break;
/* 根据实际情况加入延时凑出1MHz */
__asm volatile( "nop" );
__asm volatile( "nop" );
......
__asm volatile( "nop" );
}
/* 使能被禁止的中断 */
Enable_TickIRQ();
}
上报数据
static void upload (void)
{
int32_t i = g_cur_pos;
uint32_t j;
uint32_t rate = MAX_FREQUENCY / g_samplingRate;
int cnt = 0;
uint8_t pre_data;
uint8_t data;
uint8_t rle_cnt = 0;
for (; i >= 0; i--)
{
for (j = 0; j < g_rxcnt_buf[i]; j++)
{
cnt++;
if (cnt == rate)
{
if (g_flags & CAPTURE_FLAG_RLE)
{
/* RLE : Run Length Encoding, 将连续出现的相同数据，用该数据的值以及出现的次数来表示, 在传输重复的数据时可以提高效率，但会少一个通道 */
data = g_rxdata_buf[i] & ~0x80; /* 使用RLE时数据的最高位要清零 */;
if (rle_cnt == 0)
{
pre_data = data;
rle_cnt = 1;
}
else if (pre_data == data)
{
rle_cnt++; /* 数据相同则累加个数 */
}
else if (pre_data != data)
{
/* 数据不同则上传前面的数据 */
if (rle_cnt == 1) /* 如果前面的数据只有一个,则无需RLE编码 */
uart_send(&pre_data, 1, 100, 0);
else
{
/* 如果前面的数据大于1个,则使用RLE编码 */
rle_cnt = 0x80 | (rle_cnt - 1);
uart_send(&rle_cnt, 1, 100, 0);
uart_send(&pre_data, 1, 100, 0);
}
pre_data = data;
rle_cnt = 1;
}
if (rle_cnt == 128)
{
/* 对于只有8个通道的逻辑分析仪, 只使用1个字节表示长度,最大长度为128，当相同数据个数累加到128个时,就先上传 */
rle_cnt = 0x80 | (rle_cnt - 1);
uart_send(&rle_cnt, 1, 100, 0);
uart_send(&pre_data, 1, 100, 0);
rle_cnt = 0;
}
}
else
{
/* 上位机没有起到RLE功能则直接上传 */
uart_send(&g_rxdata_buf[i], 1, 100, 0);
}
cnt = 0;
}
}
}
使用汇编提高采样率
使用汇编采集数据，可使得最高采样率达到2MHz
BUFFER_SIZE equ 3100 ; 注意这个数值要跟logicanalyzer.c中的BUFFER_SIZE保持一致
THUMB
AREA |.text|, CODE, READONLY
; sample_function handler
sample_function PROC
EXPORT sample_function
IMPORT g_rxdata_buf
IMPORT g_rxcnt_buf
IMPORT g_cur_pos
IMPORT g_cur_sample_cnt
IMPORT get_stop_cmd
IMPORT g_convreted_sample_count
PUSH {R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, LR}
LDR R0, =g_rxdata_buf ; 得到这些变量的地址
LDR R1, =g_rxcnt_buf ; 得到g_rxcnt_buf变量的地址
LDR R2, =g_cur_pos ; 得到g_cur_pos变量的地址
LDR R2, [R2] ; 得到g_cur_pos变量的值
LDR R3, =g_cur_sample_cnt
LDR R3, [R3]
LDR R4, =get_stop_cmd
LDR R5, =g_convreted_sample_count
LDR R5, [R5]
LDR R8, [R0] ; pre_data
LDR R10, =BUFFER_SIZE
LDR R6, =0x40010C08
LDR LR, =(1<<31)
Loop
LDRH R7, [R6] ; 读GPIOB_IDR
LSR R7, #8 ; data = (*data_reg) >> 8;
CMP R7, R8
ADDNE R2, #1 ; g_cur_pos += (data != pre_data)? 1 : 0;
STRB R7, [R0, R2] ; g_rxdata_buf[g_cur_pos] = data;
MOV R8, R7 ; pre_data = data
LDR R7, [R1, R2, LSL #2] ; R7 = g_rxcnt_buf[g_cur_pos]
ADD R7, #1
STR R7, [R1, R2, LSL #2] ; g_rxcnt_buf[g_cur_pos]++;
ADD R3, #1 ; g_cur_sample_cnt++;
CMP R3, R5 ; if (g_cur_sample_cnt >= g_convreted_sample_count) break;
BGE LoopDone
LDR R7, [R4] ; R7 = get_stop_cmd
CMP R7, #0 ; if (get_stop_cmd) break;
BNE LoopDone
CMP R2, R10 ; if (g_cur_pos >= BUFFER_SIZE) break;
BGE LoopDone
NOP
NOP ; 延时, 凑出2MHz
B Loop
LoopDone
LDR R0, =g_cur_pos ; 得到g_cur_pos变量的地址,并不是得到它的值
STR R2, [R0] ; 保存g_cur_pos变量的值
LDR R0, =g_cur_sample_cnt
STR R3, [R0] ; 保存g_cur_sample_cnt变量的值
POP {R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, PC}
ENDP