บทเรียน 1.1 — ภาษา C บนไมโครคอนโทรลเลอร์

เป้าหมาย

เมื่อจบบทเรียนนี้ คุณจะ

1. เลือกชนิดข้อมูลขนาดแน่นอนจาก stdint.h ให้เหมาะกับค่าที่เก็บ และอธิบายผลของ overflow ได้
2. เขียนการตั้ง ล้าง และสลับบิตด้วยตัวดำเนินการระดับบิตแบบ read-modify-write ได้ถูกต้อง
3. อธิบายว่าเมื่อใดต้องใช้ volatile กับตัวแปรที่ใช้ร่วมกับฮาร์ดแวร์หรือ interrupt

ใช้เวลาประมาณ 70 นาที (แนวคิด 15 · ฝึก 25 · แล็บ 25 · เช็ก 5) — ครึ่งแรกทำบนคอมพิวเตอร์ได้เลย ส่วนแล็บใช้บอร์ด TESAIoT Dev Kit

ก่อนเริ่ม

บทเรียนนี้ต่อจากคนที่เขียน Python หรือ MicroPython ได้แล้ว ลองตอบในใจสองข้อ

1. ใน MicroPython x = 250 + 10 ได้ 260 เสมอ ในภาษา C บนไมโครคอนโทรลเลอร์จะได้ 260 เสมอไหม ขึ้นกับอะไร
2. เวลาสั่ง gpio.led(0).on() แล้วไฟติด ในชิปต้องมีอะไรสักอย่างเปลี่ยนค่า คุณคิดว่าคืออะไร และอยู่ที่ไหน

สิ่งที่ต้องมี: คอมไพเลอร์ C บนคอมพิวเตอร์ (gcc หรือ clang) สำหรับครึ่งแรก และสำหรับแล็บคือบอร์ด TESAIoT Dev Kit กับ ModusToolbox™ 3.6

ดูของจริงก่อน

ทายก่อนรัน: examples/01_types_and_bits.c บรรทัด count after +10 จะพิมพ์เลขอะไร

gcc -std=c11 -Wall -Wextra -o types_and_bits examples/01_types_and_bits.c
./types_and_bits

ถ้าคุณทายว่า 260 คุณไม่ได้ผิดคนเดียว — โปรแกรมพิมพ์ count after +10 = 4 เพราะ uint8_t เก็บได้แค่ 0 ถึง 255 ค่าที่เกินจึงวนกลับ

ไบต์ 0x30 กับ 0xF8 กลายเป็น -2000 และผลคูณ 32 บิตไม่เท่ากับผลคูณ 64 บิต — บทเรียนนี้คือคำอธิบายของทั้งสามบรรทัดนั้น

แนวคิด (1) — ชนิดข้อมูลขนาดแน่นอนและ overflow

ภาษา C ไม่สัญญาว่า int กว้างกี่บิต แต่รีจิสเตอร์ ไบต์บนบัส และแพ็กเก็ตของโปรโตคอลถูกนิยามเป็นจำนวนบิตแน่นอน งานเฟิร์มแวร์จึงใช้ชนิดจาก <stdint.h>

overflow ของ unsigned นิยามไว้ว่าวนกลับแบบ modulo 2ᴺ เช่น uint8_t 250+10 = 4 ส่วน overflow ของ signed เป็น undefined behaviour — อย่าเขียนโค้ดที่พึ่งมัน

แนวคิด (1) ต่อ — ตัวอย่างจาก SDK จริง

SDK ใช้ความรู้นี้จริงในหลายจุด:

• 06_raw_register_access.c
  แปลงค่าจาก SHT40 ด้วยตัวแปรกลาง 64 บิต คอมเมนต์บอกเหตุผลว่า "175000 * 65535 does not fit in 32 bits"
• 05_auto_push_task.c
  หาจำนวนรอบด้วย sensor_auto_get_push_count() - before ถูกต้องแม้ตัวนับจะวนกลับ เพราะการลบของ unsigned ก็เป็น modulo เหมือนกัน

(Apache-2.0, tesaiot-pse84-devkit-sdk @ ef72c1b)

แนวคิด (2) — ตัวดำเนินการระดับบิตและ read-modify-write

รีจิสเตอร์หนึ่งตัวมักรวมหลายหน้าที่ไว้คนละบิต ถ้าเขียนทับทั้งตัว บิตของหน้าที่อื่นจะหายไปด้วย วิธีปลอดภัยคือ read-modify-write

บนชิปจริงเรามักไม่แตะรีจิสเตอร์เอง แต่เรียกฟังก์ชันของ PDL (Peripheral Driver Library) เช่น Cy_GPIO_Set() Cy_GPIO_Clr() — ใช้ชื่อ CYBSP_LED_STATE_ON แทนเลข 1 เพราะบอร์ดรุ่นถัดไปอาจกลับขั้ว

แนวคิด (3) — volatile คือสัญญากับคอมไพเลอร์ ไม่ใช่กุญแจ

คอมไพเลอร์ที่เปิด optimisation มีสิทธิ์จำค่าตัวแปรไว้ในรีจิสเตอร์ของ CPU และตัดการอ่าน/เขียนที่ดูเหมือนไร้ผลทิ้ง volatile บอกว่า ทุกการอ่านและเขียนต้องเกิดขึ้นจริงตามลำดับในโค้ด ใช้เมื่อ

• รีจิสเตอร์ของอุปกรณ์ ที่ฮาร์ดแวร์เปลี่ยนค่าเอง
• ตัวแปรที่ ISR เขียนแล้ว task อ่าน เช่น radar_drdy_events
• ตัวแปรที่อีกคอร์หรือ DMA เขียน เช่นธงที่ task หนึ่งตั้งแล้วอีก task อ่าน
• ลูปหน่วงเวลาแบบนับเลขเปล่า for (volatile uint32_t d = 0; d < 300000; d++) {}

volatile ไม่ได้ ให้ความเป็น atomic — count++ บน volatile ยังเป็นสามจังหวะ (เรื่องนี้อยู่ในบทเรียน 1.3 และโมดูล 4)

ตัวอย่างสมบูรณ์ — ท่าที่ 1 ขนาดชนิดและ overflow

examples/01_types_and_bits.c

uint8_t count = 250u;
count = (uint8_t)(count + 10u);           // วนกลับ (modulo 256)
printf("count after +10 = %u\n", (unsigned)count);

const uint8_t lsb = 0x30u, msb = 0xF8u;   // 0xF830 = -2000
const int16_t raw = (int16_t)((uint16_t)lsb | ((uint16_t)msb << 8));

const uint32_t t_raw = 65535u;
const uint32_t wrong = 175000u * t_raw;             // คูณใน 32 บิต วนกลับ
const uint64_t right = (uint64_t)175000u * t_raw;   // ขยายเป็น 64 บิตก่อนคูณ

ตัวอย่างสมบูรณ์ — ท่าที่ 2/3 read-modify-write

// ท่าที่ 2: set / clear / toggle
fake_ctrl |= CTRL_ENABLE_MSK;          // set
fake_ctrl &= ~(uint32_t)0x4u;          // clear bit 2
fake_ctrl ^= (1u << 8);                // toggle bit 8

// ท่าที่ 3: เขียนฟิลด์ MODE 3 บิต อ่านครั้งเดียว เขียนครั้งเดียว
uint32_t v = fake_ctrl;                        // read
v &= ~CTRL_MODE_MSK;                           // modify: ล้างฟิลด์
v |= (mode << CTRL_MODE_POS) & CTRL_MODE_MSK;  // modify: ใส่ค่าใหม่
fake_ctrl = v;                                 // write

อ่านต่อจากของจริงใน SDK: 06_raw_register_access.c อ่านรีจิสเตอร์ PWR_CTRL ของ BMI270 เขียนค่าเดิมกลับ แล้วอ่านซ้ำเพื่อยืนยัน โดยถือ lock ของบัสตลอดทั้งขั้น

ฝึกเติม

เปิด practice/01_bitops.c — มีช่องให้เติม 2 จุดที่มีคำว่า TODO คือ bits_set() กับ bits_clear()

gcc -std=c11 -Wall -Wextra -o bitops practice/01_bitops.c && ./bitops

คอมไพล์และรันก่อนเติม คุณควรเห็น test ล้มหลายข้อ — นั่นคือหลักฐานว่า test ตรวจอะไรบางอย่างจริง

เติมจนบรรทัดสุดท้ายพิมพ์ PASS: 0 failure(s) — ลองเองก่อนอย่างน้อย 15 นาที แล้วค่อยเปิด solution/01_bitops.c

เช็กความเข้าใจ

ตอบคำถาม 5 ข้อใน quiz.yaml ครอบคลุมเป้าหมายทั้งสามข้อ (ตอบถูกตั้งแต่ 4 ข้อขึ้นไปถือว่าจบบทเรียน)

1. uint8_t level = 200; แล้ว level = (uint8_t)(level + 100); ค่าของ level คือเท่าไร
2. จับคู่ข้อมูลกับชนิดข้อมูล ข้อใดเหมาะสม (เลือกได้หลายข้อ)
3. บรรทัดใดล้างบิตที่ 3 ของ reg โดยไม่เปลี่ยนบิตอื่น
4. เรียงบรรทัดให้เป็นการเขียนฟิลด์ MODE แบบ read-modify-write ที่อ่านครั้งเดียวและเขียนครั้งเดียว
5. ตัวแปรใดควรประกาศเป็น volatile (เลือกได้หลายข้อ)

แล็บ

งาน: รันตัวอย่าง GPIO และ register ของ SDK บนบอร์ด แล้วอธิบายผลที่เห็นด้วยความรู้ของบทนี้

cd bento-firmware-template-mtb-only
make build -j ENABLE_PAGE_EXAMPLES=1 SDK_EXAMPLE_CM33=cm33/io/04_gpio_led_button
make program

1. ถอดสาย USB ออกให้สุดแล้วเสียบใหม่หลัง flash ทุกครั้ง เปิด serial console ที่ 115200 8N1 ไว้ก่อน
2. อ่าน log ของ [io/04] แล้วกดปุ่ม SW2 สองสามครั้งใน 5 วินาที ดูจำนวนการกดที่กันเด้งแล้ว
3. build ใหม่ด้วย SDK_EXAMPLE_CM33=cm33/sensors/06_raw_register_access ดู chip id (ควรเป็น 0x24) ค่าดิบ XYZ และบรรทัด PWR_CTRL ... (verified, board unchanged)
4. บันทึกว่าเมื่อวางบอร์ดราบ ค่าดิบแกนใดใหญ่ที่สุดและเป็นบวกหรือลบ

หลักฐานที่เก็บไว้ใน portfolio: log จาก serial console ของทั้งสองตัวอย่าง และคำตอบข้อ 4

ไปต่อ

• เปิด cy_gpio.h ของ mtb-pdl-cat1 @ release-v3.24.0 หา Cy_GPIO_Pin_FastInit() และ CY_GPIO_DM_PULLUP อ่านว่าพารามิเตอร์ outVal มีผลต่อโหมด pull-up อย่างไร
• โจทย์ท้าทาย: เขียนฟังก์ชัน field_read(reg, msk, pos) คู่กับ field_write() ในแบบฝึก แล้วเพิ่ม test ของมันเอง

บทถัดไป: บทเรียน 1.2 — แผนที่หน่วยความจำ stack และ heap ถามต่อว่าตัวแปรแต่ละตัวในบทนี้อยู่ที่ไหนในหน่วยความจำ

แหล่งที่มาและเครดิต

"พื้นฐานเฟิร์มแวร์ภาษา C บน PSoC Edge" จาก TESA Open Knowledge โดยสมาคมสมองกลฝังตัวไทย
(Thai Embedded Systems Association: TESA) https://github.com/tesaiot/tesa-qualification-program
สัญญาอนุญาต CC BY-NC 4.0

โค้ดของหลักสูตรนี้ (examples/, practice/, solution/) Apache-2.0 · โค้ดของ SDK ไม่ได้คัดลอกเป็นไฟล์
บทเรียนยกมาเป็นช่วงสั้น ๆ พร้อมลิงก์ไปยังไฟล์ที่ commit ef72c1b (Apache-2.0, tesaiot-pse84-devkit-sdk)