老工程師的技術生活(三十九) --- 單晶片入門 ?

這是農曆新年後的第一篇文章，隨著一年一年的過，也不禁感慨歲月如梭啊。

自從離開創業公司之後，在武漢待了一兩年，幸運地在疫情爆發前回台，

也非常感謝許多昔日園區老同事與老朋友的幫忙，安然度過這幾年，

想想：離開創業公司，何嘗不是一個很好的安排，想想市場瞬息萬變，更不用

說科技業的技術進展與趨勢方向，都已經與昔日自己所認知的情況相去甚遠，

所以啦，現在呢，就閒來沒事手癢就可以回顧的做作一些小玩意兒，也可以

綜合整理一下屬於我們這個世代的技術發展與經驗分享，或許，如果還可以

讓一些有心人士可以引用或參考，也算是一種時代眼淚的剩餘價值吧。

以個人的職場發展所賴以維生的，最重要的當然就是單晶片的學習與應用，

8051 更是扮演著一個世代的崛起與主流，但慢慢地隨著時代的演進，市場的

選擇性就越來越多樣化了，當然考慮的也不一定就得依據個人喜好、或單價成本？

或其他因素。就如同我上一篇文章提到的：能找到好的應用市場，又能夠變現獲利，

才是最重要的。其他像那些所謂的學習開發環境的適應性，或是功能強大與否？

對我們這些老工程師來說：也就是一種工具的轉換而已，有很多技術基礎概念，

或是產品開發測試驗證方法與程序也都大同小異而已罷了。

我今天就拿一個簡單的例子來說明與示範一下吧。我先強調一下：以下這些

單晶片的韌體撰寫，也都不是我個人所新創，我也沒有比較厲害，而只是我們

年紀大，經驗豐富一點，有很多東西也都在大公司裡，有著人才濟濟的人力資源

下可以相互切磋學習進步的。學習技術開發，真的不要有一種錯誤的觀念：

只要我關起門來努力用功，給他磨個五年、十年就可以成仙成精了。也不要以為

現在網路到處有個開源平台，只要我個人努力就可以了。沒有那個學習與競爭

環境，或實際產品開發與導入量產流程的操作，你也真的也很難能夠完善一個

技術的精隨與其系統開發上的概念。也更不用常常奢望天下會隨時掉下來外包

委託設計案給你一兩個人的小公司既可以練功又可以長期賺錢獲利的事。

----

那我今天要做甚麼呢？

很簡單：就是拿個32 bit MCU(stm32) 來置換 8 bit MCU (8051) 而已。

這不是一件很簡單的事嗎？是啊，為什麼？因為這些新一代的 MCU 的開發環境

與平台都很成熟穩定，MCU 本身的周邊裝置與介面也都很完善了，而傳統的

8051 單晶片除非是特殊規格的東西，要不然許多使用方便性也不一定就比較好。

我拿個簡單的板子例子來試試吧：

這個就是一個簡單一兩百元的 8051 學習套件：喔~ 賣家也沒有提供原始碼，沒差吧。

剛好是SMD 的板子，剛好也可以拿來用熱風槍來上件吧。

只是不知道有一顆 0805 電阻被熱風吹到哪了？只好拿手上 0603 來頂替一下吧。

再來看一下完成後它的功能吧：

這應該就是一些單晶片很基礎的 Timer 加 I/O 控制而已。賣家沒有提供原始碼，

但在網路上有提供操作功能說明：

那就當我們的開發規格書吧。

接下來就是要拿一個 STM32 MCU 來取代 8051，網路上也有人賣這種 pin to pin 可以直接

取代 8051 的載板：

他的載板接腳對應原來 8051 單晶片定義：

因為載板上 stm32 有自己的 Reset 與震盪器，所以原來的接腳就不用了。

這樣子就可以無縫接軌的直接用 STM32 開發原來的 8051 系統應用平台了。

所以我就先將我自己的 STM32 的開發工具與平台給架上去：

大家從上圖可以看到：LED 已經有顯示了，就是代表系統已經可以跑起來了啦。

接下來簡單說明一下韌體吧。以前我們剛開始學習 8051 時，其實都有點呆啦，

當然就是沒有經驗啦，也都翻書一頁一頁，一行一行程式Key 進去跑。 只要系統

操作複雜一點，就很容易卡關了。不是上網查資料就是去社群媒體粉絲團問問別人，

但別人也真的很難一時懂你的問題出在哪啊？所以又有點緩不濟急。學習起來

就真的很辛苦。當然自己學會、走過就又覺得不得了了。但其實我一開始就說了：

那是你自己的學習平台與環境不對，你只想關起門來自己努力K 而已。其實，

有很多東西只要你去大公司過個水，搞一兩個實際產品開發案例就夠了：

事半功倍，又有薪水養家餬口的，也可以結交一大堆技術上的難兄難弟。

有甚麼不好的呢？以下就是我二十幾年前在大公司上班時，一樣是拿 8051 

做MP3 SOC 系統的韌體開發平台。這個也不是我做的或新創的，而是我

找一位台清交資工科班出身的朋友來我部門上班幫忙寫的。喔~他寫完這個

架構沒多久(有一年嗎？)，他就覺得這種東西沒啥挑戰性，就又離職了。

我是有點不好意思啦，他跟我說：沒關係啦，這種系統的東西就是如此吧，

以後如果還有比較具有挑戰性的東西再找他也是可以的啦，所以我們就一直

保持聯繫，當然他後來就對技術以外的，譬如 Business Model 等比較有興趣。

這也是我一直強調：他們這些聰明優秀的工程師都不會光從技術看未來發展的啦。

我們從單晶片的系統應用來說：無非就是一些簡單的 I/O 的顯示互動操作而已。

所以韌體架構就可以簡化成：

簡單來說：就是"狀態"(Status)" 與"觸發事件(Event) "兩者的交互作用。

上圖是我二十幾年前就已經做過的簡報資料。因為我要將程式移交給 FAE 部門。

必須整理說明的教學資料。主程式很短吧~其實我們當初的8051韌體程式碼是

超過 128 KBytes 的：他的系統是很複雜的啦：

你當然不可以用傳統學校或教科書教你的那一套：Main 就一路拼命的往下寫吧？

你要怎麼維護與將所有的韌體開發工作給分配出去處理呢？

所以基本上你系統韌體要做的事主要就圍繞在這兩個主要程式裡：

UI_KeyEventProcedure();

UI_Processorstate_transition();

----

他們的定義分別如下：

不管你要用甚麼方法(中斷或輪詢)，就是要從人機介面上取得"觸發事件(Event) "的。

因為它會改變你系統的"狀態"(Status)"：就會構成一個交錯的系統操作表單了：

上一圖表中：縱軸就是你的"觸發事件(Event) "；橫軸就是你系統的"狀態"(Status)"。

(我記得那個 R_PLAY 是短按鍵，P_PLAY 是長按鍵，所以在 PLAY 撥放狀態下，按長鍵

是無效鍵，而短按鍵就是在 PALY 與 PASUE 兩個"狀態"(Status)"下相互切換的。)

中間只要定義你每個應用上的需求就可以了。只要是簡單的單晶片系統基本上

都可以套用這樣的架構的。他們資工科班的術語好像稱為 " State- Machine" 吧？

(不好意思，我不是念資工的，這種作業系統上的術語我沒念過書、也沒上過課...)

所以這個簡單的範例我們就拿來試試看吧：我們的Main 主程式：

int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */
 
  /* USER CODE END 1 */
 
  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/
 
  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();
 
  /* USER CODE BEGIN Init */
 
  /* USER CODE END Init */
 
  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();
 
  /* USER CODE BEGIN SysInit */
	SysTick_Init();
  /* USER CODE END SysInit */
 
  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
	//--
	//-- Input I/O
	//BSP_KEY_Init();
  /* Initialize Key Button EV board */
  BSP_PB_Init(BUTTON_K1, BUTTON_MODE_GPIO);
  BSP_PB_Init(BUTTON_K2, BUTTON_MODE_GPIO);
	
	_GKeyEvent= 0;
	G_Status = KSTATUS_IDLE;					// Idle Status
	G_PreStatus = KSTATUS_IDLE;					// Idle Status
	G_Status = KSTATUS_NormalEW;					// Idle Status
	nEVTimerRTC=31;
	//	
	G_KeyEvent = KEYNULL;					// No any Event
	
	KeyButton_IO_Init();
	
  MX_USARTx_UART_Init(COM1);
 
#if 1	
  printf("\n\rChamberplus STM32F1_8051 Platform Initialize...\n\r");
  //printf("** Test finished successfully. ** \n\r");
#endif	
	
  /* USER CODE BEGIN 2 */
    nOneSecond=0;
    _GLEDEVT = 0;
    _GLEDTGflag = 0;
  nDigital10 = 0;
  nDigital01 = 0;
  /* USER CODE END 2 */
  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
		//--- UI Key Event ---
		UI_KeyEventProcedure();
		UI_Processorstate_transition();
    /* USER CODE END WHILE */
		//=== Seven Segment LED Display
 		if(_GLEDEVT&0x01) {
			_GLEDEVT &= ~0x01;	
			UI_SevenSegmentDisplay(nEVTimerRTC);
		}
    /* USER CODE BEGIN 3 */
    /* USER CODE END 3 */
  }
}

---

那我們的"觸發事件(Event) "定義：

/*
static void UI_KeyEventProcedure(void)
{
 		if(_GKeyEvent&0x01) {
			_GKeyEvent &= ~0x01;	
			
      button_ticks();
			///---------------
			if(_GKeyEvent&0x02) {	// Any Key Event
				_GKeyEvent &= ~0x02;
				//-- K1 Key
				if(K1KeyEvent==SINGLE_CLICK){
					if(_GKeyEvent&0xE0){		//0x12
						//--None Real Start Event, clear Event flag only !
						_GKeyEvent &= ~0x10;												
					}else{
						printf("K1\n\r");
						_GKeyEvent &= ~0xF0;			
						G_KeyEvent = KEYK1Short;			// Key Event Enable
					}
					K1KeyEvent=NONE_PRESS;
				}else if(K1KeyEvent==LONG_PRESS_ON){
					_GKeyEvent &= ~0x01;							// Long Key Press, clear again
					//printf("Start Long key_:%2X \n\r", _GKeyEvent);
					if(_GKeyEvent&0x08){
						_GKeyEvent &= ~0xF8;			
						printf("LK1\n\r");
						G_KeyEvent = KEYK1LONG;			// Key Event Enable
					}
					K1KeyEvent=NONE_PRESS;
				}else{
					K1KeyEvent=NONE_PRESS;
				}	
				//-- SW3 Key
				if(K2KeyEvent==SINGLE_CLICK){
					if(_GKeyEvent&0xD0){
						//--None Real Stop Event, clear Event flag only !
						_GKeyEvent &= ~0xD0;												
					}else{
						_GKeyEvent &= ~0x20;																		
						G_KeyEvent = KEYK2Short;			// Key Event Enable
						printf("K2\n\r");
					}					
					K2KeyEvent=NONE_PRESS;
				}else if(K2KeyEvent==LONG_PRESS_ON){
					_GKeyEvent &= ~0x01;							// Long Key Press, clear again
					//printf("Stop Long key_:%2X \n\r", _GKeyEvent);
					if(_GKeyEvent&0x04){
						_GKeyEvent &= ~0xF4;			
						printf("LK2\n\r");
						G_KeyEvent = KEYK2LONG;			// Key Event Enable
					}
					K2KeyEvent=NONE_PRESS;
				}else{
					K2KeyEvent=NONE_PRESS;
				}
			}
		}
	
}
//---
 

---

這裡硬體上雖然只有兩個按鍵，但可以依照按鍵的特性可以定義出至少四種

不同的"觸發事件(Event) "。譬如K1/K2 分別都有長短鍵事件之分。

---

而我們這個系統的"狀態"(Status)"定義：

static void UI_Processorstate_transition(void)
{
		switch(G_Status)
    {//state
			//-- STATE 0: --
			/// Idle -- Idle -- Idle -- Idle -- Idle -- Idle -- Idle -- Idle -- Idle -- Idle --
			case KSTATUS_IDLE:
				//printf("%d", G_KeyEvent);
				switch(G_KeyEvent)
				{//IDLE event
					case KEYK1Short:
						G_KeyEvent = KEYNULL;
						break;
					case KEYK2Short:
						G_KeyEvent = KEYNULL;
						break;
					case KEYK1LONG:
					case KEYK2LONG:
							G_KeyEvent = KEYNULL;
						break;
					default:
						G_KeyEvent = KEYNULL;
						break;
				}
				//=====
				break;
			
			//-- STATE 1: --
			/// StandBy -- StandBy -- StandBy -- StandBy -- StandBy -- StandBy -- StandBy -- StandBy --
			case KSTATUS_STDBY:   //State StandBy on--		
				switch(G_KeyEvent)
				{//Key event
					case KEYK1Short:
						G_KeyEvent = KEYNULL;
							//__nop();
						break;
					case KEYK2Short:
						G_KeyEvent = KEYNULL;
						break;
					case KEYK1LONG:
					
								G_KeyEvent = KEYNULL;						
						break;
					case KEYK2LONG:
							G_KeyEvent = KEYNULL;
						break;
					default:
						G_KeyEvent = KEYNULL;
						//GIdleKeyEventDT=0;
						break;
				}
					
				break;
			//-- STATE 2: --
			/// Normal North and South --
			case KSTATUS_NormalNS:
				switch(G_KeyEvent)
				{//Key event
					case KEYK1Short:
						G_KeyEvent = KEYNULL;
							//__nop();
						break;
					case KEYK2Short:
						G_KeyEvent = KEYNULL;
						break;
					case KEYK1LONG:
					
								G_KeyEvent = KEYNULL;						
						break;
					case KEYK2LONG:
							G_KeyEvent = KEYNULL;
						break;
					default:
						G_KeyEvent = KEYNULL;
						//GIdleKeyEventDT=0;
						break;
				}
				//--- One Second Event ---
				if(G_TimeStampU16.UTimeSTP.bTSTP00){
					G_TimeStampU16.UTimeSTP.bTSTP00=0;
					nEVTimerRTC--;
					printf("Status=%d, nEVTimerRTC=%d\n\r", G_Status, nEVTimerRTC);
					if(nEVTimerRTC==5){
						G_Status = KSTATUS_Transition;
						G_PreStatus = KSTATUS_NormalNS;					
						BSP_LED_On(LED0);
						BSP_LED_Off(LED1);
						BSP_LED_Off(LED2);
						BSP_LED_Off(LED3);
						BSP_LED_On(LED4);
						BSP_LED_Off(LED5);
						BSP_LED_On(LED6);
						BSP_LED_Off(LED7);
						BSP_LED_Off(LED8);
						BSP_LED_Off(LED9);
						BSP_LED_On(LEDA);
						BSP_LED_Off(LEDB);		
					}else{
						LED_NorthSouthPass();
					}					
					//if(nEVTimerRTC==0) nEVTimerRTC=60;
					//printf("nEVTimerRTC=%d\n\r", nEVTimerRTC);
				}
				
				break;
			//-- STATE 3: --
			/// Normal North and South Transit to Normal East and West or Reverse it--
			case KSTATUS_Transition:
				switch(G_KeyEvent)
				{//Key event
					case KEYK1Short:
						G_KeyEvent = KEYNULL;
							//__nop();
						break;
					case KEYK2Short:
						G_KeyEvent = KEYNULL;
						break;
					case KEYK1LONG:
					
								G_KeyEvent = KEYNULL;						
						break;
					case KEYK2LONG:
							G_KeyEvent = KEYNULL;
						break;
					default:
						G_KeyEvent = KEYNULL;
						//GIdleKeyEventDT=0;
						break;
				}
				//--- One Second Event ---
				if(G_TimeStampU16.UTimeSTP.bTSTP00){
					G_TimeStampU16.UTimeSTP.bTSTP00=0;
					nEVTimerRTC--;
					printf("Status=%d, nEVTimerRTC=%d\n\r", G_Status, nEVTimerRTC);				
					if(nEVTimerRTC){
						if(nEVTimerRTC&0x01){
							BSP_LED_On(LED0);
							BSP_LED_Off(LED1);
							BSP_LED_Off(LED2);
							BSP_LED_Off(LED3);
							BSP_LED_On(LED4);
							BSP_LED_Off(LED5);
							BSP_LED_On(LED6);
							BSP_LED_Off(LED7);
							BSP_LED_Off(LED8);
							BSP_LED_Off(LED9);
							BSP_LED_On(LEDA);
							BSP_LED_Off(LEDB);		
						}else{
							BSP_LED_Off(LED0);
							BSP_LED_Off(LED1);
							BSP_LED_Off(LED2);
							BSP_LED_Off(LED3);
							BSP_LED_Off(LED4);
							BSP_LED_Off(LED5);
							BSP_LED_Off(LED6);
							BSP_LED_Off(LED7);
							BSP_LED_Off(LED8);
							BSP_LED_Off(LED9);
							BSP_LED_Off(LEDA);
							BSP_LED_Off(LEDB);		
						}											
					}else{
						if(G_PreStatus == KSTATUS_NormalNS){
							G_Status = KSTATUS_NormalEW;
							nEVTimerRTC=30;
							LED_EastWestPass();
						}else if(G_PreStatus == KSTATUS_NormalEW){
							G_Status = KSTATUS_NormalNS;
							nEVTimerRTC=20;
							LED_NorthSouthPass();
						}else{
							//System Error
						}
					}
				}
				break;
			//-- STATE 4: --
			/// Normal East and West --
			case KSTATUS_NormalEW:
				switch(G_KeyEvent)
				{//Key event
					case KEYK1Short:
						G_KeyEvent = KEYNULL;
							//__nop();
						break;
					case KEYK2Short:
						G_KeyEvent = KEYNULL;
						break;
					case KEYK1LONG:
					
								G_KeyEvent = KEYNULL;						
						break;
					case KEYK2LONG:
							G_KeyEvent = KEYNULL;
						break;
					default:
						G_KeyEvent = KEYNULL;
						//GIdleKeyEventDT=0;
						break;
				}
				//--- One Second Event ---
				if(G_TimeStampU16.UTimeSTP.bTSTP00){
					G_TimeStampU16.UTimeSTP.bTSTP00=0;
					nEVTimerRTC--;
					printf("Status=%d, nEVTimerRTC=%d\n\r", G_Status, nEVTimerRTC);
					if(nEVTimerRTC==5){
						G_Status = KSTATUS_Transition;
						G_PreStatus = KSTATUS_NormalEW;					
						BSP_LED_On(LED0);
						BSP_LED_Off(LED1);
						BSP_LED_Off(LED2);
						BSP_LED_Off(LED3);
						BSP_LED_On(LED4);
						BSP_LED_Off(LED5);
						BSP_LED_On(LED6);
						BSP_LED_Off(LED7);
						BSP_LED_Off(LED8);
						BSP_LED_Off(LED9);
						BSP_LED_On(LEDA);
						BSP_LED_Off(LEDB);		
					}else{
						LED_EastWestPass();
					}
				}
				break;
			//-- STATE 5: --
			/// K1 Mode --
			case KSTATUS_K1Mode:
				switch(G_KeyEvent)
				{//Key event
					case KEYK1Short:
						G_KeyEvent = KEYNULL;
							//__nop();
						break;
					case KEYK2Short:
						G_KeyEvent = KEYNULL;
						break;
					case KEYK1LONG:
					
								G_KeyEvent = KEYNULL;						
						break;
					case KEYK2LONG:
							G_KeyEvent = KEYNULL;
						break;
					default:
						G_KeyEvent = KEYNULL;
						//GIdleKeyEventDT=0;
						break;
				}
				break;
			//-- STATE 6: --
			/// K2 Mode --
			case KSTATUS_K2Mode:
				switch(G_KeyEvent)
				{//Key event
					case KEYK1Short:
						G_KeyEvent = KEYNULL;
							//__nop();
						break;
					case KEYK2Short:
						G_KeyEvent = KEYNULL;
						break;
					case KEYK1LONG:
					
								G_KeyEvent = KEYNULL;						
						break;
					case KEYK2LONG:
							G_KeyEvent = KEYNULL;
						break;
					default:
						G_KeyEvent = KEYNULL;
						//GIdleKeyEventDT=0;
						break;
				}
				break;
			/// SYSTEM Error -- SYSTEM Error -- SYSTEM Error -- SYSTEM Error -- SYSTEM Error -- SYSTEM Error -- SYSTEM Error--
			case KSTATUS_SYSError:   //State USB on ...--
				//-- Toggle Error LED ---
				// Any key to clear Status				
				switch(G_KeyEvent)
				{
					case KEYK1Short:
					case KEYK2Short:						
						G_KeyEvent = KEYNULL;			
						G_Status = KSTATUS_STDBY;		
						break;
					default:
						G_KeyEvent = KEYNULL;
						break;
				}					
				break;				
			default:
				break;
			}
	
}
//=====
 
 

-----

其實有很多系統初始還是會有所謂的 Idle 及 StandBy 兩道程序狀態的，

譬如這也可以拿來調整複雜的開機程序(譬如周邊系統的初始化等)，

或是做為系統省電或其他待機狀態的~不過，這個原始範例看起也沒有這兩個，

所以我就直接切到：

/// system Status

typedef enum {

KSTATUS_IDLE=0,

KSTATUS_STDBY,

KSTATUS_NormalNS,

KSTATUS_Transition,

KSTATUS_NormalEW,

KSTATUS_K1Mode,

KSTATUS_K2Mode,

KSTATUS_SYSError

} KGSTATUS;

中間那三道重複執行而已。至於規格書裡的那兩個按鍵功能就是觸發 K1_Mode 及

K2_Mode 兩種狀態而已，我這邊就不再說明了，而且~上述程式碼中，我目前是

沒有把對應的"觸發事件(Event) "功能寫進去，有興趣者可以自行加入調整。

我只是先完成原來基本功能的展示：

---

另外你的開發平台也可以輕易利用 USART 把韌體中想看的變數內容給 Printf 出來：

這些都是系統開發的基礎功夫吧。

---

好了。本文中我利用一個 STM32 MCU 來取代 8051 MCU 的簡單示範完畢了。

我再一次強調說明一下：我沒有比較厲害，而是我老了，程式撰寫上有一點經驗

累積而已，況且這也不是我原創的。這些都是很基礎的架構，現在 32 bit MCU 的開發

平台上都很容易實現完成的，因為它還可以架一個 RTOS (譬如 FreeRTOS) 來處理按鍵

的"觸發事件(Event) "，也可以用同樣的 RTOS 來處理你系統應用上的"狀態"(Status)"。

所以這邊我示範的就是一個很基礎的雕蟲小技而已。二十幾年前就已經被玩到爛了。

重點還是在於你要拿甚麼MCU 平台？來做甚麼系統應用開發？最、最、最重要的

是你要如何拿這個東西完成可以大量生產的產品銷售變現啦。

---

最後，還是奉勸一下有心從事單晶片系統開發的年輕工程師們：想學甚麼技術？

想用甚麼開發平台？最重要的還是要挑對你的學習與具有挑戰性的環境，

光只是在網路社群媒體上，看到別人玩玩這些東西(就像我這篇文章一樣)，

就想自己買本書、報名去上個課... 然後自己又買一些儀器設備或弄個自己工作室。

就想閉門苦讀努力地創造自己技術上的價值？想想我上述的那些台清交的

工程師們的表現吧。你是不是弄錯你的學習重點與方向？也是該不該再調整一下

你工程師學習進步的方法呢？

分享給各位。謝謝！

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PS：忘了補上PCB 電路圖：

喔~順便提一下：因為 stm32 是 3.3V ，所以這板子上我是直接供 ： 3.3V 。

那個Buzzer 就靠 I/O sink 電流，真的沒啥效果了。就不特別處理了。