Assembly LCD é uma biblioteca de controle de display LCDs baseados no modelo Hitachi HD44780U, possibilitando o seu uso sem a necessidade de implementar os detalhes associados a comunicação. Baseado na Raspberry Pi Zero e sua arquitetura Arm V6, é possível limpar o display, escrever um caractere e posicionar o cursor (linha e coluna). Além disso, no diretório examples/ há um programa que demonstra seu uso.
Segue abaixo a estrutura de diretórios do projeto
├── display.s
├── examples
│ └── countdown.c
├── lib
│ ├── fileio.s
│ ├── gpio.s
│ ├── lcd.s
│ └── utils.s
├── LICENSE
├── makefile
└── README.md
Possui a macro open_file para abertura de arquivos. Recebe no R0, o descritor do arquivo aberto, no R1, o modo de abertura do arquivo.
Possui a macro nanosleep para fazer o programa parar durante o tempo específicado. R0 é um ponteiro para quantidade de segundos e R1 é um ponteiro para quantidade de nanossegundos.
Possui macros para configurar pinos como entrada e saída, alterar o nível lógico no modo de saída e ler o nível lógico em determinado pino. A sessão de pinos tem seu array configurado da seguinte maneira:
- Endereço 0x0: GPIO Select offset. Indica em qual offset o gpio está para configurar como entrada e saída;
- Endereço 0x4: A quantidade de shifts é necessário no GPIO Select para configurar o GPIO. Este valor é multiplicado por 3, pois cada GPIO tem 3 bits de modo;
- Endereço 0x8: Offset a partir do enedereço base para o GPIO Output Set;
- Endereço 0xc: Offset a partir do enedereço base para o GPIO Output Clear;
- Endereço 0x10: Quantidade de shifts para set/clear do GPIO. É necessário, pois a quantidade de shifts anterior diferente entre a seleção de função e a configuração de nível lógico;
- Endereço 0x14: Offset para o GPIO Read Level. Utilizado apenas com pinos que serão configurados como input
Biblioteca principal para o controle do LCD
- void init(): Inicializa o display;
- void clear_display: Limpa display;
- void write_char(char ch): Escreve um caractere, entre [a-z] ou espaço. Utiliza aritmética para mapear sem a utilização de muitas comparações. Como é um char, é preciso passar o código ascii.;
- void write_number (int n): Escreve um número 0-9 passado como inteiro;
- void write_data_4bits(int mask): É um procedimento que, passado um valor, avalia cada um dos dígitos binários para configurar DB4-DB7. Se quisermos ativar DB4, DB5, basta chamarmos write_data_4bits(0x3).
- pulse: Gera um pulso utilizando o enable, pra concluir a transferência de dados pro LCD;
- write_4bit: Uma macro para write_data_4bits.
Programa principal para execução do contador. O valor do contador fica registrado em R1, e as flags para pausar/continuar e reiniciar contagem, estão nos registradores R6 e R5, respectivamente
- void main(): Inicializa o programa;
- void system_init(): Faz primeiros procedimentos para iniciar a contagem;
- void system_run(): Inicia o processo de contagem caso não esteja pausado;
- void pause_counter(): Faz leitura dos botões para checar se é necessário pausar/iniciar o contador;
- void reset_counter(): Faz leitura dos botões para checar se é necessário reiniciar o contador;
- int divide(int dividend, int divisor): Algoritmo de divisão por subtrações sucessivas, retorna quociente;
- int reminder(int dividend, int divisor): Algoritmo de divisão por subtrações sucessivas, retorna resto.
Para organizar as diretivas do projeto, foi utilizado um arquivo makefile contendo um conjunto de diretivas usadas pela ferramenta de automação make para gerar um alvo/meta, e simplificar e agilizar a montagem do programa.
No nosso Makefile, temos comandos desde "fileio" que gerencia as entradas e saídas até comandos do display lcd como descritos abaixo:
counter: display.o
gcc -o display display.o
display.o: display.s lib/lcd.o
as -o display.o display.s
lib/lcd.o: lib/utils.o lib/gpio.o lib/fileio.o
as -o lib/lcd.o lib/lcd.s
lib/fileio.o: lib/fileio.s
as -o lib/fileio.o lib/fileio.s
lib/gpio.o: lib/gpio.s
as -o lib/gpio.o lib/gpio.s
lib/utils.o: lib/utils.s
as -o lib/utils.o lib/utils.s
cexample: examples/countdown.c lib/lcd.s
gcc -o countdown examples/countdown.c lib/lcd.s
Abaixo está presente os dispositivos utilizados, suas características e documentação utilizada para desenvolvimento do projeto
Baseada no processador BCM 2385, possui 54 I/O de propósito geral (GPIO), onde atualmente se faz uso de apenas 6. É importante notar que, o GPIO 1 não está posicionado no PINO 1. As informações da placa são mostradas na tabela abaixo, junto da descrição sobre o uso de cada GPIO.
| Pino | GPIO | Descrição |
|---|---|---|
| 28 | 1 | Sinal de Enable |
| 29 | 5 | Push Button 1 |
| 35 | 19 | Push Button 2 |
| 32 | 12 | D4 |
| 36 | 16 | DB5 |
| 38 | 20 | DB6 |
| 40 | 21 | DB7 |
| 22 | 25 | Sinal RS |
| Endereço | Descrição |
|---|---|
| 0x20200000 | Endereço base da GPIO / Modo de seleção I/O GPIO 0-9 |
| 0x20200004 | Modo de seleção I/O GPIO 10-19 |
| 0x20200008 | Modo de seleção I/O GPIO 20-29 |
| 0x2020001c | Escrita HIGH GPIO 0-31 |
| 0x20200028 | Escrita LOW GPIO 0-31 |
| 0x20200034 | Leitura GPIO 0-31 |
No caso da utilização do mmap2, o último parâmetro é o offset da memória em número de paginas. Se o tamanho da página for 0x1000, o endereço base acima vai ser: 0x20200.
Dentro de um espaço de 16 colunas e 2 linhas, baseado no controlador HD44780, o display lcd permite a criação de uma interface amigável, possibilitando a exibição de vários tipos de informações. Este display possui dois modos de ação: 4 bits ou 8 bits. Atualmente, esta biblioteca usa apenas o modo de quatro bits.
Para realizar a inicialização completa do display, é preciso executar os seguintes passos:
| E | DB7 | DB6 | DB5 | D4 |
|---|---|---|---|---|
| ⎍ | 0 | 0 | 1 | 1 |
| ⎍ | 0 | 0 | 1 | 1 |
| ⎍ | 0 | 0 | 1 | 1 |
| ⎍ | 0 | 0 | 1 | 0 |
| ⎍ | 0 | 0 | 1 | 0 |
| ⎍ | 1 | 0 | 0 | 0 |
| ⎍ | 0 | 0 | 0 | 0 |
| ⎍ | 1 | 0 | 0 | 0 |
| ⎍ | wait | 5 | m | s |
| ⎍ | 0 | 0 | 0 | 0 |
| ⎍ | 0 | 0 | 0 | 1 |
| ⎍ | wait | 5 | m | s |
| ⎍ | 0 | 0 | 0 | 0 |
| ⎍ | 0 | 1 | 1 | 0 |
| ⎍ | wait | 5 | m | s |
| ⎍ | 0 | 0 | 0 | 0 |
| ⎍ | 1 | 1 | 1 | 1 |
As transições são reconhecidas nas bordas de descida.
| E | RS | RW | DB7 | DB6 | DB5 | D4 | DB3 | DB2 | DB1 | DB0 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ⎍ | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| E | RS | RW | DB7 | DB6 | DB5 | D4 | DB3 | DB2 | DB1 | DB0 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ⎍ | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | - |
| E | RS | RW | DB7 | DB6 | DB5 | D4 | DB3 | DB2 | DB1 | DB0 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ⎍ | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | S/C | R/L | - | - |
S/C = 1 - Desloca Display S/C = 0 - Move Cursor R/L = 1 - Desloca a direita R/L = 0 - Desloca a esquerda
A arquitetura utilizada é a ArmV6 presente na Raspberry Pi Zero, pertencente a família de processadores RISC. A Raspberry Pi Zero utiliza o processador BCM 2835, que é um processador de 32 bits e seu programa pode ser executado em versões mais recentes, pois o ArmV7 e ArmV8 possui retrocompatibilidade com o ArmV6.
Os registradores da arquitetura Arm é composta por:
- 13 registradores (R0-R12) de uso geral;
- 1 Stack Pointer (SP);
- 1 Link Register (LR);
- 1 Program Counter (PC);
- 1 Application Program Status Register APSR
Se tratando do sistema operacional, registradores podem ter usos específicos, cuidado! Por exemplo, no Raspberry Pi OS, a função de sistema é escolhida colocando seu identificador no R7, e seu retorno está presente no R0 após a chamada da função.
O sistema operacional utilizado é o Raspberry Pi OS, derivado do Debian. Desta maneira, possui as mesmas chamadas de sistema que o linux.
Devido a presença de sistema operacional na Raspberry Pi Zero, para realizar um acesso aos dispositivos presentes na placa, é necessário realizar o mapeamento de memória, onde é exigido a chamada de algumas system calls para realizar esse acesso. Para outros dispositivos, como o acionamento do relógio interno, o sistema operacional oferece uma interface amigável.
Finaliza o programa com um código de status. Caso o status seja 0, o programa foi encerrado com sucesso. Seu código é 1.
.EQU sys_exit, #0x1
.global _start
_start:
LDR R0, =0x0
LDR R7, =#sys_exit
SVC 0
.data
Abre um arquivo e retorna seu descritor. O primeiro parâmetro é o nome do arquivo e o segundo indica a maneira que o arquivo vai ser aberto. Esta chamada é feita para abertura do arquivo /dev/mem onde é o responsável por receber entradas para realização do mapeamento de memória. Seu número de chamada é 5.
.EQU sys_open, #0x5
.global _start
_start:
LDR R0, =file
LDR R1, =mode
LDR R1, [R1]
LDR R7, =#sys_open
SVC 0
.data
mode: .word 2
Utilizada para fazer o programa aguardar (*req) segundos + (*rem) nanossegundos. Dentro do projeto do contador, esta chamada auxilia o processo de contagem dos segundos. Seu número de chamada é 162. Segue um exemplo de uso, fazendo com o que o código espere 5,5 segundos:
.EQU nanosleep_sys, #162
.global _start
_start:
LDR R0, =time_in_seconds
LDR R1, =time_in_nano
LDR R7, =#nanosleep_sys
SVC 0
.data
time_in_seconds: .word 5
time_in_nano: .word 500000000
void *syscall(SYS_mmap2, unsigned long addr, unsigned long length, unsigned long prot, unsigned long flags, unsigned long fd, unsigned long pgoffset);
Utilizada para mapear um endereço físico para memória virtual, retornando seu endereço para uso do programa.
.EQU mmap2_sys, #192
.EQU pagelen, 4096
.equ MAP_SHARED, 0x01
.equ FLAG, 0x7
.global _start
LDR R0, =0
LDR R1, =#pagelen
LDR R2, =#FLAG
LDR R3, =#MAP_SHARED
LDR R5, =gpio_base_addr
LDR R5, [R5]
LDR R7, =#mmap2_sys
SVC 0
.data
gpio_base_addr: .word 0x20200
API da biblioteca para manipulação do LCD
Inicializa o display para que possa ser escrito
Faz com que o display inteiro seja limpo
Escreve caracteres alfa numéricos (0-9a-zA-Z)
Posiciona o cursor na linha x (0-1) e na coluna y (0-15)
- Na pasta execute:
$ make countdown
- Em seguida execute o programa
$ sudo ./display
- Na pasta execute:
$ make example
- Em seguida execute o programa
$ sudo ./countdown
O protótipo construído é um contador de 2 digitos, onde é possível configurar seu valor diretamente no código, possibilitando diferentes tempos. Ainda, é possível utilizar dois botões de controle. Um botão para pausar/iniciar a contagem, onde sua função alterna a cada pressionamento. E um botão para reiniciar a contagem, onde é acionado apenas uma vez após o pressionamento, necessitando assim soltar o botão antes de realizar um novo reinício.
Não é possível escrever um número maior que dois digitos. Foi implementado um algoritmo de divisão por subtrações sucessívas, para realizar a separação dos dígitos decimais a partir do valor binário. Para a separação de múltiplos dígitos, seria necessário realizar uma abstração maior. Uma maneira de alcançar esse resultado, é dividir por 10, pegar o resto que é nosso último dígito, e subtrair do número original. Em seguida, dividir por 100, pegar o resto que é o penúltimo digito, e subtrair do original. Seguindo esses passos até o número se tornar zero. Pode-se empilhar os valores de forma, que sejam exibidos na ordem correta.
Os botões só são reconhecidos entre a contagem de dois números. Como foi utilizado um nanosleep de 1 segundo, enquanto há espera, os botões não reagem. Uma forma de solucionar este problema é realizar n = 1000/t chamadas de t milissegundos, de forma que entre cada espera menor, os botões sejam checados
O tempo de espera não é preciso. Pois, é feito utilizando uma chamada ao sistema operacional que, vai aguardar no mínimo o tempo solicitado, mas, devido a processos internos, pode não retornar ao processo no tempo exato, adicionando assim, alguns atrasos que dentro do projeto não causam impactos maiores,mas, em diversas outras situações pode ser significativo