Современные встроенные системы все чаще выходят за рамки привычных задач, требуя комплексных подходов к созданию периферийных устройств. Одной из таких задач является генерация видеосигнала через VGA, особенно интересно реализовать ее на базе микроконтроллеров STM32 с использованием инновационной операционной системы Hubris, разработанной компанией Oxide. В статье подробно рассматривается история одного проекта, в котором VGA-сигнал создавался на STM32 Nucleo-H753ZI, раскрываются детали настройки периферийных устройств, оптимизации доступа к регистрам и применение DMA для эффективной работы с сигналом. Началом проекта стало желание автора попробовать OS Hubris - современную ОС для микроконтроллеров, которая обеспечивает изоляцию задач и безопасность при работе с ресурсами устройства. Первоначально была запущена простая демонстрационная программа с мигающим светодиодом, но идея создания видеосигнала через VGA возникла после случайной встречи с устаревшим VGA-монитором формата 4:3.
Задумка оказалась простой - напрямую управлять GPIO-пинами, подключенными к VGA-разъему, и попытаться сгенерировать базовый видеосигнал. Стандартный подход управления GPIO в Hubris предусматривает использование служебной задачи stm32xx-sys, которая отвечает за включение тактирования через блок RCC и выполняет переключение состояний пинов по сообщениям. Автор опасался, что из-за высокой частоты переключений и нагрузки обработка команд через sys-задачу приведет к задержкам и нестабильности. Поэтому было принято решение полностью отказаться от sys-задачи и работать напрямую в пользовательской задаче, что контролирует все необходимое самостоятельно. Для начала поставили цель вывести простой одноцветный экран, например, зеленый, что требует грамотно настроить горизонтальную и вертикальную синхронизацию (HSYNC и VSYNC) и держать зеленый цветовой сигнал постоянно активным.
Экран VGA при этом получил бы стабильный сигнал и окрашивался бы в зеленый цвет. Работа с регистрами периферии у STM32 - ключевой и одновременно сложный этап. Они адресуются посредством прямого доступа к памяти в определенных диапазонах. Вместо обхода с описанием десятков страниц справочника, для программирования используется Peripheral Access Crate (PAC) - специализированная библиотека, которая предоставляет API для удобной и безопасной работы с регистрами на низком уровне. По умолчанию, задачи в Hubris защищены аппаратным механизмом Memory Protection Unit (MPU), и для доступа к периферии необходимо корректно описать регионы памяти в конфигурационных файлах chip.
toml и app.toml. При настройке таймеров для генерации сигнала использовалась модель PWM (широтно-импульсной модуляции). Тестовой точкой стала связка пина PB0 с каналом TIM3_CH3, так как на плате Nucleo-H753ZI этот пин также соединен с индикаторным светодиодом, что позволило визуально контролировать работу без подсоединения внешних измерительных приборов. Несмотря на сложность конфигурирования регистров, удалось добиться стабильного мигания светодиода, что стало доказательством правильности обращения с таймерами и PWM.
Генерация HSYNC и VSYNC требует очень точного соблюдения параметров временных интервалов. Для VGA с разрешением 800×600 и частотой обновления 60 Гц, интервалы пикселей и синхронизирующих сигналов имеют специфические значения, которые можно найти на сайте tinyvga.com. Внутренние таймеры на STM32 работают с базовой частотой 200 МГц, к которой применяются прескалеры и автоперезагрузки. Например, для HSYNC выставлялся прескейлер 0 с ARR на 5279, что соответствует периоду строки в 26,4 мкс.
CCR отвечал за длительность синхроимпульса - 3,2 мкс. Аналогично VSYNC настраивался с более высоким прескейлером 21119 и ARR 156 для полного кадра продолжительностью 16,58 мс. Одновременное удержание зеленого сигнала на уровне GPIO пина оказалось недостаточным, так как VGA-монитор, скорее всего, измеряет уровень сигнала на цветовых входах именно во время HSYNC, используя его как базовую линию (blanking level). Поэтому для правильного формирования цветовой информации стандартный подход с простым "высоким" уровнем не работает. Это заставило автора переключиться на генерацию сигнала с помощью встроенного ЦАП (DAC).
Настройка DAC была связана с особенностями STM32: чтобы использовать аналоговый выход, пин переводится в специальный режим Analog, отдельный от альтернативных функций для таймеров. Для вывода уровней напряжения достаточно записать 8- или 12-битное значение в регистр данных DAC, что позволяет формировать аналоговые сигналы. Однако постоянное обновление DAC напрямую от ЦПУ было неэффективным и потребляло слишком много ресурсов. Решением стала реализация передач данных через DMA - контроллер прямого доступа к памяти, который позволяет автоматически копировать массивы байтов в регистры DAC без участия процессора. В STM32 семейства H7 реализовано несколько DMA-контроллеров, и для задачи был выбран DMA1.
Появились технические сложности с описанием всех необходимых областей памяти в конфигурации Hubris, поскольку MPU в ОС имеет ограничение на количество областей памяти на задачу. Это потребовало группировки и оптимизации регионов, в частности для таймеров и DMA. Автор настроил связку таймер - DAC - DMA с помощью Demultiplexer запросов (DMAMUX) для организации непрерывного цикла передачи. В buffer размещалась последовательность значений, формирующая один видеодизайн - например, градиент. Работу DMA осложняло то, что этот контроллер не взаимодействует с процессорными кэшами, поэтому буфер для DMA располагался в специальной области памяти с флагом dma, предотвращающим кеширование и обеспечивающим прямой доступ к данным.
Первые испытания показали визуальный результат, но с многочисленными артефактами - мерцанием, размытыми переключениями между яркими и темными участками картинки. Ограничения DAC и особенности формирования аналогового напряжения не позволяли получить четкие границы и стабильные уровни. По результатам экспериментов стала просматриваться необходимость либо качественного перехода на SPI внешнего устройства, либо улучшения алгоритмов генерации сигнала. Возвращение sys-задачи связано с необходимостью управления более сложной двухмерной картинкой, то есть полноценным фреймбуфером. Организация циклической передачи одной линии изображения DMA удобна, но для полноценного кадра требуется массив в десятки килобайт, что сказывается на количестве необходимых областей памяти и ресурсах.
Для этого применялся MDMA - специализированный мультиплексируемый DMA контроллер, способный вызывать один канал при завершении другого, что открывало возможности многоступенчатой передачи данных. Сложности аппаратного ограничения регионов памяти под задачи Hubris привели к компромиссу: sys-задачу можно вернуть, используя системные ресурсы для контролирования RCC и GPIO, высвобождая места для MDMA и сложной конфигурации. Такой подход демонстрирует, как аппаратные ограничения на ресурсы заставляют оптимизировать архитектуру программного обеспечения. На текущем этапе разработка продолжалась, но фреймбуфер для полноценного изображения не был внедрен окончательно. Тем не менее, проект демонстрирует новый уровень интеграции возможностей STM32 с Hubris - от низкоуровневого управления пинами и таймерами до сложной DMA-архитектуры, позволяющей создавать качественные VGA-сигналы.
Перспективы развития проекта включают эксперименты с использованием SPI-интерфейса, который в других подобных проектах позволяет генерацию видеосигнала с большей точностью и стабильностью. Возможна также интеграция с графическим интерфейсом в Hubris для визуализации сложных образов. Реализация VGA-сигнала на STM32 с Hubris - это не только интересный технический вызов для разработчиков встраиваемых систем, но и прекрасный пример синергии аппаратных возможностей микроконтроллера с инновационными функциями ОС. Этот проект способствует тесному пониманию особенностей работы таймеров, DMA, DAC, а также управления памятью и периферийными устройствами в условиях ограниченных ресурсов, что важно для создания надежных и эффективных встроенных решений. .
![IBM's watsonx explores using LLMs to judge other LLMs [video]](/images/F7D39169-5D16-4298-929C-5F4EA18AC95F)
