Сегодня существует множество встраиваемых платформ с разной производительностью. Многие устройства имеют одинаковые функциональные возможности. Таким образом, разработчика, привыкшего к разноообразию аппаратных платформ, очень сложно удивить чем-то действительно новым.

Чем же может нас удивить новая плата Raspberry Pi Pico на базе собственного чипа RP2040?

Raspberry Pi Pico — это не такая высокопроизводительная платформа, как другие платы Raspberry Pi, но намного дешевле их. Производительность Pico можно сравнить с Arduino Due или ESP32.

Это действительно очень интересное устройство, основанное на двух ядрах Cortex M0 + с уникальным модулем PIO, который работает как контакты FPGA и может быть запрограммирован на языке Assembler (я бы сказал упрощенный Assembler).

Поддержка Raspberry Pi Pico впечатляет. Можно использовать разные языки программирования, такие как Assembler, C, C ++ и Python, для программирования Raspberry Pi Pico.

Raspberry Pi Pico также можно запрограммировать в среде Arduino IDE.

Чип RP2040 и плата Raspberry Pi Pico хорошо документированы, документация содержит дейташиты для микроконтроллера и платы, руководство по разработке своего железа на основе RP2040, руководство для быстрого начала работы с платой Raspberry Pi Pico.

Raspberry Pi Foundation предоставляет два SDK для разработки приложений на Python и C / C ++.

Начнем с основных характеристик платы:

Микроконтроллер RP2040, разработанный Raspberry Pi в Великобритании
Двухъядерный процессор Arm Cortex M0 + с тактовой частотой до 133 МГц
264 КБ SRAM и 2 МБ встроенной флэш-памяти
Благодаря контактам по периметру модуля Pico его можно запаять на несущую плату
USB 1.1 с поддержкой профилей устройства и хоста
Режимы сна и ожидания с низким энергопотреблением
Программирование методом копирования файла прошивки на внешнее запоминающее устройство через USB
26 × многофункциональных контактов GPIO
2 × SPI, 2 × I2C, 2 × UART, 3 × 12-битных АЦП, 16 × управляемых каналов ШИМ
Точные часы и таймер на кристалле
Датчик температуры
Библиотеки для выполнения операций с плавающей запятой
8 конечных автоматов программируемого ввода-вывода (PIO) для поддержки настраиваемых периферийных устройств

Техническая спецификация Raspberry Pi Pico доступна по ссылке https://datasheets.raspberrypi.org/pico/pico-datasheet.pdf

Она также содержит электрическую принципиальную схему Raspberry Pi Pico.

Если взглянуть на распиновку, то можно увидеть на плате SWD-разъем для отладки, пользовательский светодиод, разъем micro-USB, кнопку BOOTSEL и 2х20 контактов расширения.

Прежде всего необходимо прочитать «Getting started with Raspberry Pi Pico» https://datasheets.raspberrypi.org/pico/getting-started-with-pico.pdf , следуя указанным там инструкциям.

Если вы собираетесь использовать плату RPi 4B или RPi 400 для разработки приложений для RPi Pico, развернуть среду разработки там очень просто.

На Raspberry Pi 4B / 400 необходимо выполнить следующие действия (убедитесь, что у вас есть подключение к Интернету):

Скачайте установочный скрипт


$ wget https://raw.githubusercontent.com/raspberrypi/pico-setup/master/pico_setup.sh

Добавьте разрешения на выполнение скрипта

$ chmod +x pico_setup.sh

Запустите установочный скрипт

$ ./pico_setup.sh

Перезагрузите вашу операционную систему

$ sudo reboot

В противном случае процесс установки зависит от операционной системы, установленной на вашем компьютере. Я использую Ubuntu 20.04 LTS, поэтому мне пришлось прочитать «Chapter 2. SDK».

Пользователи Windows и OSX должны прочитать «Chapter 9. Building on other platforms» из руководства «Getting started with RPi Pico».

Автор документации предпочитает, чтобы мы использовали Visual Studio Code. Если вы не привыкли разрабатывать в Visual Studio Code, то можете выбрать что-нибудь другое, например Eclipse или Clion.

После установки необходимых инструментов пора помигать светодиодом на плате Raspberry Pi Pico. Выполните в терминале следующие команды:


$ cd ~/pico/pico-examples
$ mkdir build && cd build
$ export PICO_SDK_PATH=../../pico-sdk
$ cmake ..
$ cd blink
$ make -j $(nproc)

Вот и все. Теперь мы можем загрузить прошивку в плату Raspberry Pi Pico.

Обновление и отладка прошивки

Если вы, как и я, используете десктопную версию Ubuntu 20.04 LTS, Raspberry Pi Pico должен автоматически примонтироваться к файловой системе как запоминающее устройство USB. Вы можете просто перетащить blink.uf2 на запоминающее устройство. RP2040 перезагрузится, размонтируется как запоминающее устройство и начнет запускать прошитый код. В следующий раз, когда вы захотите обновить прошивку, вам нужно будет нажать кнопку BOOT перед включением Raspberry Pi Pico, чтобы войти в режим обновления.

Если ваше приложение не работает или вы хотите понять, как оно работает, вы можете использовать внутрисхемную отладку через разъем SWD, но для этого необходимо иметь какой-то аппаратный адаптер JTAG / SWD, например J-Link, DAP-Link или плату Raspberry Pi с разъемом расширения контактов.

Использование Picoprobe

Из документации «Getting started with RPi Pico» я узнал, что можно использовать вторую плату Raspberry Pi Pico в качестве адаптера SWD (см. «Appendix A. Using Picoprobe»).

Это очень интересная возможность, учитывая невысокую стоимость платы. Давайте попробуем.

Если я не ошибаюсь, picoprobe — это прошивка DAP-Link, основанная на открытом стандарте CMSIS-DAP для микроконтроллеров Cortex-M, которая обеспечивает два преобразователя: USB-UART и USB-SWD.

Все, что нам нужно сделать, это загрузить специальную прошивку (picoprobe) во вторую плату Pico. После этого мы получим полноценный отладчик SWD по цене Pico.

Кстати, вы можете использовать его и для отладки других микроконтроллеров Cortex-M.

Вы должны прочитать «Appendix A. Using Picoprobe», чтобы узнать, что вам нужно сделать для начала использования picoprobe.

Это дублирующее документацию описание действий под Linux, поскольку я использую Ubuntu 20.04 LTS.

Для работы picoprobe необходимо собрать openocd с включенным драйвером picoprobe:

Пора собрать и прошить picoprobe:


$ cd ~/pico && git clone https://github.com/raspberrypi/picoprobe.git
$ cd picoprobe
$ mkdir build && cd build
$ cmake .. && make -j$(nproc)

Включите плату Raspberry Pi Pico, которую вы собираетесь использовать в качестве отладчика, с нажатой кнопкой BOOTSEL и перетащите файл picoprobe.uf2.

В итоге мы получили отладчик с двумя интерфейсами, один из которых — SWD, другой — UART для работы в качестве адаптера USB-UART независимо от первого.

Подключение между двумя платами Pico показано в следующей таблице:

Pico A (picoprobe)	Pico B (dev board)
GND	GND
GP2	SWCLK
GP3	SWDIO
GP4/UART1 TX	GP1/UART0 RX
GP5/UART1 RX	GP0/UART0 TX

На ярко-оранжевом фоне это выглядит так:

Чтобы использовать UART picoprobe, вы можете задействовать любую терминальную утилиту, например minicom.

Сначала добавьте себя в группу пользователей dialout и перезагрузитесь:


$ sudo usermod -a -G dialout $USER
$ sudo reboot

После этого проверьте, находитесь ли вы в группе dialout, выполнив следующую команду:


$ groups

Если да, запустим minicom:


$ minicom -D /dev/ttyACM0 -b 115200

Использование OpenOCD и GDB

Чтобы использовать отладку через SWD, вам необходимо запустить openocd как сервер и gdb как клиент:


$ openocd -f interface/picoprobe.cfg -f target/rp2040.cfg -s tcl


Open On-Chip Debugger 0.10.0+dev-g18b4c35-dirty (2021-08-12-18:55)
Licensed under GNU GPL v2
For bug reports, read
	http://openocd.org/doc/doxygen/bugs.html
Info : only one transport option; autoselect 'swd'
Warn : Transport "swd" was already selected
adapter speed: 5000 kHz

Info : Hardware thread awareness created
Info : Hardware thread awareness created
Info : RP2040 Flash Bank Command
Info : Listening on port 6666 for tcl connections
Info : Listening on port 4444 for telnet connections
Info : clock speed 5000 kHz
Info : SWD DPIDR 0x0bc12477
Info : SWD DLPIDR 0x00000001
Info : SWD DPIDR 0x0bc12477
Info : SWD DLPIDR 0x10000001
Info : rp2040.core0: hardware has 4 breakpoints, 2 watchpoints
Info : rp2040.core1: hardware has 4 breakpoints, 2 watchpoints
Info : starting gdb server for rp2040.core0 on 3333
Info : Listening on port 3333 for gdb connections

Установите gdb:


$ sudo apt install gdb-multiarch -y

Запустите gdb:


$ cd ~/pico/pico-examples/build/blink
$ gdb-multiarch blink.elf
(gdb) target remote loacalhost:3333
(gdb) load
(gdb) b main
(gdb) c

Конечно же вы можете отлаживать свое приложение в своей любимой IDE, в этом случае IDE работает как клиент.

Автоматическая генерация проекта

Для автоматического создания нового проекта вы можете использовать скрипт Python, который может работать как в режиме графического интерфейса пользователя, так и в режиме командной строки.

Чтобы воспользоваться этим, вам нужно будет клонировать скрипт создания проекта из Git репозитория :


$ cd ~/pico && git clone https://github.com/raspberrypi/pico-project-generator.git

Не забудьте установить библиотеку TKInter для использования GUI:


$ sudo apt-get install python3-tk

Затем его можно запустить в графическом режиме:


$ cd pico-project-generator
$ ./pico_project.py --gui

Добавление Pico в Arduino IDE

Также можно запрограммировать Raspberry Pi Pico в Arduino IDE. Была выпущена даже новая версия Arduino Nano на базе чипа RP 2040.

Если вы решите работать с Raspberry Pi Pico в Arduino IDE, вам сначала нужно будет добавить поддержку платы. Для этого выберите в Arduino IDE пункт меню File-> Preferences, затем заполните «Additional Board Manager URLs» ссылкой https://github.com/earlephilhower/arduino-pico/releases/download/global/package_rp2040_index.json

После этого выберите пункт меню «Board:« Arduino Uno »-> Board Manager …», введите «raspberry pi pico» и установите пакет «Raspberry Pi Pico / RP2040», который уже установлен на моей картинке.

Когда пакет установлен, нам нужно выбрать плату в пункте меню «Tools->Boards: «Arduino Uno»->Raspberry Pi RP2040 Boards(1.9.4)->Raspberry Pi Pico». Информация о плате появится в меню «Tools».

Процесс разработки в C/C ++ SDK

В этом разделе я покажу вам, что программирование Raspberry Pi Pico с использованием C/C++ SDK не сложнее, чем в Arduino IDE. Даже в том случае, если вы используете командную оболочку Linux.

Добавьте путь к pico-project-generator в ваш файл конфигурации .bashrc :


$ gedit ~/.bashrc
export PATH=$PATH:~/pico/pico-project-generator

Потом перезагрузите систему:


$ sudo reboot

После этого вы можете запускать pico_project.py из любого каталога.

Давайте создадим новый каталог для наших экспериментов:


$ cd ~/pico && mkdir pico-workspace && cd pico-workspace
$ pico_project.py --gui

Выберите имя и расположение проекта, затем нажмите кнопку ОК.

Мигание светодиодом

Теперь мы можем открыть автоматически сгенерированный C файл, отредактировать его:


$ cd blink
$ gedit blink.c

#include &lt;stdio.h>
#include "pico/stdlib.h"


int main()
{
    stdio_init_all();

    puts("Hello, world!");

    return 0;
}

#include <stdio.h>

#include "pico/stdlib.h"

int main()

{

stdio_init_all();

puts("Hello, world!");

return 0;

}

Я использую модуль белого светодиода из набора датчиков Keyestudio KS0068 https://wiki.keyestudio.com/Ks0068_keyestudio_37_in_1_Sensor_Kit_for_Arduino_Starters :

Если у вас такой же модуль, подключите его к Raspberry Pi Pico, как показано в следующей таблице:

Raspberry Pi Pico	White LED Module
GND	G
3V3	V
GP15	S

Давайте внесем в наш автоматически созданный проект следующие изменения:

#include &lt;stdio.h>
#include "pico/stdlib.h"
int main()
{
    const uint LED_PIN = 15;//GP15
    gpio_init(LED_PIN);
    gpio_set_dir(LED_PIN, GPIO_OUT);
    while (true) {
        gpio_put(LED_PIN, 1);
        sleep_ms(1000);
        gpio_put(LED_PIN, 0);
        sleep_ms(1000);
    }
}

#include <stdio.h>

#include "pico/stdlib.h"

int main()

{

const uint LED_PIN = 15;//GP15

gpio_init(LED_PIN);

gpio_set_dir(LED_PIN, GPIO_OUT);

while (true) {

gpio_put(LED_PIN, 1);

sleep_ms(1000);

gpio_put(LED_PIN, 0);

sleep_ms(1000);

}

Удерживая кнопку BOOTSEL, подключите Raspberry Pi Pico к компьютеру с помощью кабеля micro USB, отпустите кнопку. Должно появиться новое запоминающее устройство.

Соберите проект и загрузите прошивку, скопировав файл blink.uf2 на устройство:


$ cd build
$ cmake .. && make -j$(nproc)
$ cp blink.uf2 /media/$USER/RPI-RP2

Если вы все сделали правильно, белый светодиод должен мигать с частотой 0,5 Гц (каждые две секунды).

Как видите, я только что изменил номер вывода GPIO и задержку в проекте blink из pico-examples. Заработало без отладки! Все очень просто!

Этот пример находится здесь https://github.com/PetroShevchenko/cxemotexnika/tree/master/Examples/Raspberry-Pi-Pico/blink

Вы можете скачать все примеры из моего репозитория GitHub по ссылке https://github.com/PetroShevchenko/cxemotexnika.

Автоматизация с использованием pico.sh

Чтобы не вводить все эти команды вручную, я создал сценарий оболочки под названием pico.sh https://github.com/PetroShevchenko/cxemotexnika/blob/master/Examples/Raspberry-Pi-Pico/ADXL345/pico.sh

Запустите этот скрипт без каких-либо параметров, чтобы увидеть справочное сообщение:


$ ./pico.sh
[./pico.sh] : use "./pico.sh create" to launch pico_project.py in GUI mode
[./pico.sh] : use "./pico.sh build" to compile the project
[./pico.sh] : use "./pico.sh clean" to remove temporary files
[./pico.sh] : use "./pico.sh upgrade" to copy the firmware to the device
[./pico.sh] : use "./pico.sh debug" to launch openocd
[./pico.sh] : use "./pico.sh monitor" to launch minicom
[./pico.sh] : use "./pico.sh show" to show a tree of current directory

Чтение с сенсора ADXL345

Вы можете сказать: «На любой плате помигать светодиодом очень просто». Поскольку я взялся доказать, что программирование Raspberry Pi Pico в C/C++ SDK такое же простое, как и в Arduino, давайте попробуем подключить плату Pico к более сложному модулю из набора датчиков KS0068.

На мой взгляд, модуль ADXL345 достаточно сложен для демонстрации. Это 3-осевой акселерометр MEMS с высоким разрешением (13 бит) измерениями до + -16 g. Данные цифрового вывода форматируются как 16-битное дополнение к двум и доступны через цифровой интерфейс SPI (3- или 4-проводный) или I2C.

Я просто попробую переделать пример для Arduino, используя API С/С++ SDK.

Давайте посмотрим, что мы можем использовать из API для связи через I2C.

Для этого откроем pico-examples/i2c. Там есть три функции для работы с I2C:

uint i2c_init(i2c_inst_t *i2c, uint baudrate);

int i2c_write_blocking(i2c_inst_t *i2c, uint8_t addr, const uint8_t *src, size_t len, bool nostop);

int i2c_read_blocking(i2c_inst_t *i2c, uint8_t addr, uint8_t *dst, size_t len, bool nostop);

uint i2c_init(i2c_inst_t *i2c, uint baudrate);

int i2c_write_blocking(i2c_inst_t *i2c, uint8_t addr, const uint8_t *src, size_t len, bool nostop);

int i2c_read_blocking(i2c_inst_t *i2c, uint8_t addr, uint8_t *dst, size_t len, bool nostop);

Я просто переписал скетч Arduino, и он сразу заработал. Вот оригинальный скетч для Arduino https://wiki.keyestudio.com/Ks0068_keyestudio_37_in_1_Sensor_Kit_for_Arduino_Starters#Project_29:_ADXL345_Three_Axis_Acceleration.

Но была одна проблема. Целочисленный тип (int) в скетче Arduino подразумевает 16-битную переменную со знаком, а Pico — 32-битный микроконтроллер с 32-битным целочисленным типом. В итоге вместо типа int я использовал тип int16_t.

Этот пример находится здесь https://github.com/PetroShevchenko/cxemotexnika/tree/master/Examples/Raspberry-Pi-Pico/ADXL345

Если у вас есть модуль ADXL345 из набора датчиков KS0068, подключите его к Raspberry Pi Pico, как показано в следующей таблице:

Raspberry Pi Pico	ADXL345 Module
GND	GND
3V3	3V3
GP8	SDA
GP9	SCL

Давайте создадим и загрузим пример:


$ cd && git clone https://github.com/PetroShevchenko/cxemotexnika.git
$ cp -r ~/cxemotexnika/Examples/Raspberry-Pi-Pico/ADXL345/ ~/pico/pico-workspace/
$ cd ~/pico/pico-workspace/ADXL345
$ ./pico.sh build
$ ./pico.sh upgrade

Теперь мы можем подключить USB-UART в составе picoprobe и запустить minicom:


$ ./pico.sh monitor
[ 3934.052504] cdc_acm 1-2:1.0: ttyACM0: USB ACM device


Welcome to minicom 2.7.1

OPTIONS: I18n
Compiled on Dec 23 2019, 02:06:26.
Port /dev/ttyACM0, 22:26:58

Press CTRL-A Z for help on special keys                           
                                                                  
RAW: -29        11      -243                                      
ACCEL: -0.113100        0.042900        -0.947700                 
RAW: -23        14      -238                                      
ACCEL: -0.089700        0.054600        -0.928200
RAW: -23        12      -242
ACCEL: -0.089700        0.046800        -0.943800
RAW: -25        19      -238
ACCEL: -0.097500        0.074100        -0.928200
RAW: -20        19      -230
ACCEL: -0.078000        0.074100        -0.897000
RAW: -28        10      -240
ACCEL: -0.109200        0.039000        -0.936000
RAW: -27        10      -232
ACCEL: -0.105300        0.039000        -0.904800