Embedded Programming

CPU (Central Processing Unit)

Mikrodenetleyici veya bilgisayarın “beyni” konumundaki birimdir. Komutları alır, yorumlar ve yürütür.
ALU (Arithmetic Logic Unit): Aritmetik (toplama, çıkarma, çarpma…) ve mantıksal (AND, OR, XOR…) işlemleri yapar.
CU (Control Unit): Komutları sırayla okur, gerekli sinyalleri üretir ve diğer birimlerin senkronizasyonunu sağlar.
Register’lar:
- Çok hızlı, küçük kapasiteli geçici depolama birimleri.
- Örneğin: Program Counter (PC), Status Register (SR), Genel Amaçlı Register’lar (R0–R31).

MPU (Microprocessor Unit)

Sadece işlemci çekirdeği içerir.
Harici RAM, ROM ve çevresel birim bağlantısına (GPIO, UART, SPI vb.) ihtiyaç duyar.
PC’lere veya gömülü uygulamalarda “işlemci kartı” olarak kullanılır.

MCU (Microcontroller Unit)

Tek bir entegre çipte işlemci çekirdeği + bellek + çevre birimleri (GPIO, timer, ADC, UART, I²C, SPI vb.) barındıran tam donanımlı gömülü sistem bileşenidir.
Dahili Bellek:
- Flash/ROM: Program kodu depolama
- SRAM: Veri ve stack alanı
Çevresel Birimler:
- Dijital G/Ç (GPIO)
- Analog‑dijital dönüştürücü (ADC)
- Timers/Counter’lar
- UART, SPI, I²C, CAN, USB vb. haberleşme modülleri
Avantajları
- Küçük ayak izi, düşük maliyet
- Düşük güç tüketimi (batarya odaklı uygulamalar için ideal)
- Tek kartta tüm bileşenler

Özellik	MPU	MCU
İşlemci	Var (yalnızca çekirdek)	Var (çekirdek + çevresel birimler)
Bellek	Harici RAM/ROM	Dahili Flash + SRAM
Çevresel Birimler	Harici eklentilerle sağlanır	Dahili UART, GPIO, ADC, timer vb. modüller
Kullanım Alanı	PC, sunucu, yüksek performans	Gömülü sistem, IoT, otomotiv, endüstri

mcu

ITM (Instrumentation Trace Macrocell)

ITM, ARM Cortex‑M tabanlı mikrodenetleyicilerde yerleşik olarak bulunan, gerçek zamanlı izleme ve hata ayıklama altyapısıdır:
Gerçek Zamanlı İzleme: Kodunuzun akışını, fonksiyon çağrılarını veya değişken değerlerini canlı olarak “trace” edebilirsiniz.
Düşük Gecikme: SWO (Serial Wire Output) pininden taşan veriyi, sistem performansını etkilemeden aktarır.
Performans Analizi: Zaman damgalı etiketler (timestamps) sayesinde hangi kod bloğunun ne kadar sürdüğünü ölçebilir, darboğazları hızla tespit edebilirsiniz.
Özelleştirilebilir Paketler: Hem ARM tarafından tanımlı standart trace paketlerini hem de kendi veri formatlarınızı kullanabilirsiniz.
Kullanım Senaryoları
- Zamanlama hatalarını keşfetme
- Döngü sayımlarını ve iş parçacıkları arasındaki geçişleri izleme
- Kalıcı log alınamayan gerçek zamanlı sistemlerde debug

Cross Compiler (Çapraz Derleyici)

Bir x86 veya macOS/Windows gibi “geliştirme host” makinenizde çalışıp, farklı bir “hedef” platform (ör. ARM Cortex‑M) için derlenmiş kod üreten derleyicidir. En yaygın örnek:

arm-none-eabi-gcc
│   │    │      └─ gcc (GNU Compiler Collection)
│   │    └─ eabi (Embedded Application Binary Interface)
│   └─ none (OS yok: bare‑metal)
└─ arm (ARM mimarisi)

Çıktı Dosya Biçimleri
- ELF (.elf): Çalıştırılabilir, simge tablosu ve debug bilgisi içerir. (Linux/Unix standardı)
- HEX (.hex): Intel HEX formatı; her satırda adres + byte dizisi ASCII olarak saklanır. Mikrodenetleyici bootloader’larına uygundur.
- BIN (.bin): Saf makine kodu; hiçbir meta‑veri içermez, doğrudan belleğe veya flash’a yazılır.
Tipik Derleme Akışı
- arm-none-eabi-gcc -c main.c -o main.o → Derleme
- arm-none-eabi-ld main.o -T linker_script.ld -o firmware.elf → Bağlama
- arm-none-eabi-objcopy -O ihex firmware.elf firmware.hex → HEX’e dönüştürme
- arm-none-eabi-objcopy -O binary firmware.elf firmware.bin → BIN’e dönüştürme

graph LR
  A[main.c] --> |Preprocessor| B{main.i};
  B --> |Parser| C[Code generator];
  C --> D[main.s];
  D --> |Assembler| E[main.o];
  E --> |Linker| F[Debug File .elf];
  F --> |Objcopy Tool| H["(.bin)"]
  G["Other Lib (.a)"] --> |Linker| F["Debug File (.elf)"];

RCC (Reset and Clock Control)

RCC, mikrodenetleyicideki tüm modüllere saat (clock) sinyallerini sağlayan ve donanım-software sıfırlama (reset) işlemlerini yöneten merkezi bir birimdir.

Saat Kaynak Seçimi: Dahili osilatör (HSI), harici kristal (HSE) veya PLL (Phase‑Locked Loop) kullanımı
Frekans Yapılandırma:
- AHB, APB1/APB2 gibi bus’lar için bölme (prescaler) değerlerini ayarlar
- PLL parametreleriyle sistem saat hızını (SYSCLK) optimize eder
Güç Tüketimi: Düşük güçlü modlar için clock gating (kullanılmayan modülleri durdurma)
Reset Yönetimi:
- Sistem reset’i, güç reset’i, bağımsız watchdog reset’i gibi kaynakları kontrol eder
- Her modülün reset bit’ini (örneğin RCC_APB1RSTR) yazarak o çevresel birimi yeniden başlatır

// Örnek: HSI aktif et, SYSCLK olarak seç
RCC->CR |= RCC_CR_HSION;                  // HSI osilatörü aç
while (!(RCC->CR & RCC_CR_HSIRDY));       // OS hazır olana dek bekle
RCC->CFGR = (RCC->CFGR & ~RCC_CFGR_SW)     // SW alanını sıfırla
           | RCC_CFGR_SW_HSI;              // SYSCLK = HSI

ISR (Interrupt Service Routine)

Bir kesme (interrupt) oluştuğunda otomatik olarak çağrılan kesme işleyici fonksiyonudur. Ana program akışı duraklar, ISR çalışır, sonra ana programa döner.

Giriş ve Çıkış:
- CPU LR (link register) içerisine dönüş adresini kaydeder
- Kesme kaynağı bayrağını temizleyip (ör. EXTI->PR |= …) ilgili işlemi yapar
Kayıt Dağılımı:
- R0–R12 → Genel amaçlı register’lar
- SP (Stack Pointer) → Geçici veri ve ISR dönüş adresi
- LR (Link Register) → ISR öncesi dönüş adresi
- PC (Program Counter) → Bir sonraki yürütülecek komut

void EXTI0_IRQHandler(void) {
    if (EXTI->PR & EXTI_PR_PR0) {
        EXTI->PR |= EXTI_PR_PR0;  // Kesme bitini temizle
        // … kesme işlemlerini gerçekleştir …
    }
}

SVC (Supervisor Call)

Yazılım kesmesi (svc) aracılığıyla kullanıcı uygulamasından çekirdek veya RTOS hizmetlerine (ör. bellek ayırma, görev oluşturma) erişim sağlar.

SVC #5    ; SVC numarası 5 ile çekirdek çağrısı

__ASM("svc 5");

SWD (Serial Wire Debug)

ARM Cortex‑M serisinde kullanılan 2 telli (SWDIO, SWCLK) hata ayıklama protokolüdür:

Düşük pin sayısı ile JTAG’a göre avantajlı
Gerçek zamanlı bellek okuma/yazma, register izleme
SWO (Serial Wire Output) ile trace mesajlarını aktarır

JTAG (Joint Test Action Group)

Elektronik bileşenlerin test ve hata ayıklama standardıdır:

4 - 5 telli protokol (TCK, TMS, TDI, TDO, TRST)
Boundary‑scan test, IC programlama, çekirdek debug
SWD’ın alt kümesi olarak bazı ARM çekirdeklerinde desteklenir

	JTAG	SWD
Pin Sayısı	5-6 pin	2 pin
Temel Pinler	TDI, TDO, TMS, TCK, TRST (opsiyonel)	SWDIO, SWCLK
Zincirleme Desteği	Var, birden fazla cihazı zincirleme olarak bağlayabilir	Yok, her cihaz için ayrı bağlantı gereklidir
Hız ve Performans	Daha fazla veri iletimi, daha yüksek hız, ancak karmaşık sistemlerde yavaş olabilir	Daha hızlı veri iletimi, düşük pin sayısı ile daha hızlı sonuç alabilirsiniz
Karmaşıklık	Daha karmaşık, çok sayıda pin ve yapılandırma gerektirir	Daha basit, düşük pin sayısı ve yapılandırma gerektirir
Kullanım Alanları	Daha büyük ve karmaşık sistemler, FPGA'lar, bellekler, CPU'lar	ARM Cortex-M mikrodenetleyiciler, düşük pinli yapılar
Debugging Yeteneği	Kapsamlı debugging, register işlemleri ve sistem izleme	Temel debugging, register okuma/yazma, programlama
Zamanlayıcı Desteği	Yüksek hızda test ve iletişim gerektiren sistemler için uygundur	Düşük pin sayısı ile hızlı hata ayıklama sağlar
Enerji Tüketimi	Daha fazla enerji tüketebilir, daha fazla pin kullanıldığı için	Daha az enerji tüketir, çünkü sadece 2 pin kullanılır
Karmaşık Sistemler İçin Uygunluk	Yüksek hızda ve karmaşık sistemlerde kullanılır	Daha basit ve düşük pin sayısına sahip sistemler için uygundur

AHB (Advanced High‑performance Bus)

AHB, ARM AMBA (Advanced Microcontroller Bus Architecture) ailesinin yüksek hızlı veri yolu katmanıdır. Özellikleri:

Yüksek Bant Genişliği: Burst transfer desteği sayesinde ardışık veri bloklarını kesintisiz taşır.
Düşük Gecikme: Pipeline mimarisiyle her döngüde bir transfer başlatılabilir.
Multi‑Master Desteği: Birden fazla bus master (ör. DMA, CPU) arasında arbitraj yaparak kontrolü paylaşır.
Genel Kullanım:
- Ana işlemci (CPU) ve DMA birimi doğrudan AHB’ye bağlıdır.
- Sistem bellekleri (SRAM/Flash) ve sabit bellek arayüzleri genellikle AHB üzerinden erişilir.

// Örnek (STM32): AHB1 üzerindeki GPIOA saatini etkinleştirme
RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;

APB (Advanced Peripheral Bus)

APB, AMBA ailesinin düşük hızlı çevre birimleri için tasarlanmış basitleştirilmiş veri yoludur:

Düşük Karmaşıklık: Tek döngülü, pipelineless tasarım; aracılar (bridges) üzerinden AHB’ye bağlanır.
Düşük Güç Tüketimi: Çevresel birimleri gerektikçe uyandıracak şekilde çalışır.
Tipik Kullanım: UART, SPI, I²C, Timer’lar gibi düşük hızlı algılayıcı ve kontrol modülleri APB üzerinde yer alır.

// Örnek (STM32): APB1 üzerindeki TIM2 saatini etkinleştirme
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;

Özelikler	AHP	APB
Hız	Yüksek hızda veri iletimi	Düşük hızda veri iletimi
Veri Transferi	Burst transfer, pipelining, yüksek hız	Tek veri transferi, basit iletişim
Yapı	Karmaşık, daha fazla donanım gereksinimi	Basit, düşük maliyetli
Gecikme	Düşük gecikme	Yüksek gecikme
Uygulama Alanları	CPU, DMA, bellek arayüzleri, büyük veri transferi	Çevre birimleri (UART, I2C, GPIO, Timer vb.) ile iletişim
Bağlantı Tipi	Master/slave yapısı, daha karmaşık bağlantılar	Basit veri iletimi ve bağlantılar
Güç Tüketimi	Yüksek güç tüketimi	Düşük güç tüketimi

Burst Transfer

Burst Transfer, yüksek hızlı veri yollarında ardışık ve blok halinde veri iletimi sağlayan yöntemdir:

Blok İletimi: Birçok küçük hatta tek tek veri yerine, büyük bir veri bloğu peş peşe aktarılır.
Verimlilik: Her küçük veri paketi için ayrı başlatma/durdurma/idare işlemi yapılmaz; başlatma/durdurma maliyeti tek seferde ödenir.
Düşük Gecikme: Pipeline desteğiyle, her clock döngüsünde yeni bir veri kelimesi transfer edilebilir.
Yüksek Bant Genişliği: Burst modunda, topyekûn aktarım hızında ciddi artış sağlar.

Access Level (Erişim Seviyesi)

Gömülü sistemlerde erişim seviyeleri, kodun hangi modda çalıştığını ve hangi kaynaklara erişebileceğini belirler

Mod	Açıklama
Handler Mode	Kesme ve istisna işleyicilerinin (ISR) çalıştığı, her zaman ayrıcalıklı modu.
Thread/User Mode	Normal uygulama kodunun çalıştığı mod; ister ayrıcalıklı, ister kısıtlı olabilir.
PAL (Privileged Access)	Tüm sistem kaynaklarına tam erişime izin verir (örn. donanım kontrolü).
NPAL (Non‑Privileged)	Korunan belleğe ve kritik birimlere erişimi sınırlandırır.

Heap Memory (Yığın Dışı Bellek)

Dinamik Tahsis: malloc, calloc, new gibi fonksiyonlarla çalışma zamanında ayrılır.
Yaşam Süresi: Serbest bırakılana (free, delete) dek bellekte kalır.
Kullanım Alanı: Büyüklüğü önceden bilinmeyen diziler, veri yapıları (linked list, tree vb.).

Stack Memory (Yığın Belleği)

Otomatik Yönetim: Fonksiyon çağrısı sırasında push, dönüşte pop edilir.
Yerel Değişkenler: Her çağrıda yeni bir çerçeve (stack frame) oluşturulur.
Sınır: Sabit boyutludur; taşma (stack overflow) riski vardır.

AAPCS (ARM Architecture Procedure Call Standard)

ARM mimarisinde fonksiyon çağrı sözleşmesini tanımlar. Amaçlar:
- Parametre İletimi: İlk dört parametre r0–r3 register’larında, fazlası yığında (stack) taşınır.
- Geri Dönüş Adresi: lr (link register) içinde saklanır.
- Yığın Düzeni: Yeni çerçevede önce geri dönüş adresi, sonra yerel register kurtarma alanı, en altta yerel değişkenler yer alır.
- Kayıt Koru: Callee‑saved (r4–r11) ve Caller‑saved (r0–r3, r12, lr) register’lar ayrıştırılır.
Bu standart, farklı derleyiciler ve kütüphaneler arasında uyum ve taşınabilirlik sağlar.

NVIC (Nested Vectored Interrupt Controller)

ARM Cortex‑M mikrodenetleyicilerinde kesme yönetimini üstlenen donanım modülüdür:

Vectored Interrupts: Her kesme kaynağı için önceden tanımlı vektör tablosu (ISR adresleri).
Öncelik Seviyeleri: 0 (en yüksek) → 255 (en düşük) arası öncelik atayarak, kritik kesmelere öncelik verebilirsiniz.
Nesting (İç İçe Kesme): Daha yüksek öncelikli kesme, daha düşük öncelikli bir ISR çalışırken bile tetiklenip işlenebilir.
Enable/Disable: İstediğiniz kesmeyi NVIC_EnableIRQ(IRQn) ve NVIC_DisableIRQ(IRQn) ile kontrol edebilirsiniz.

// EXTI0 kesmesini öncelik 2 olarak ayarlayıp etkinleştirme (STM32 HAL)
HAL_NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 2, 0);
HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);

MSP ve PSP (Stack Pointer’lar)

ARM Cortex‑M işlemcide iki ayrı stack kullanılır:

MSP (Main Stack Pointer): Sistem başlangıcında yığını MSP yönetir.
PSP (Process Stack Pointer): OS/RTOS kullanıldığında, her thread kendi PSP yığınına sahip olabilir.

// PSP kullanımı örneği (CMSIS)
__set_PSP(0x20002000);       // PSP başlangıç adresini ayarla
__set_CONTROL(__get_CONTROL() | 2); // CONTROL register’da SPSEL bit’i = 1 (PSP seç)

T‑Bit (Thumb Bit)

ARM işlemciler, iki komut seti arasında geçiş yapabilir:
ARM Modu: 32‑bit uzunluğunda komutlar; T‑bit = 0.
Thumb Modu: 16‑bit uzunluğunda sıkıştırılmış komutlar; T‑bit = 1.
- Daha küçük kod boyutu, düşük bellek tüketimi.
- Genellikle Cortex‑M çekirdekleri sadece Thumb modu destekler.

Bit‑Banding

Bit‑Banding, belirli bellek bölgesindeki her biti ayrı bir adrese eşler. Böylece tek adımla tek bir biti set/clear edebilirsiniz:
Memory Region: 0x20000000–0x200FFFFF
Alias Region: 0x22000000–0x23FFFFFF
Hesaplama Formülü: alias_addr = alias_base + (byte_offset × 32) + (bit_number × 4)

// Örneğin 0x20000000 adresindeki 3. bit için alias:
alias = 0x22000000 + (0 × 32) + (3 × 4) = 0x2200000C

// Bit‑banding ile GPIOA pin0’u HIGH yapma (STM32)
#define BITBAND_SRAM(addr, bit) \
  (*(volatile uint32_t*)(0x22000000 + (((addr) - 0x20000000) << 5) + ((bit) << 2)))

#define GPIOA_ODR_ADDR  (0x40020000 + 0x14)  // GPIOA ODR offset
BITBAND_SRAM(GPIOA_ODR_ADDR, 0) = 1;       // PA0 HIGH

Register	Açıklama
ODR	Output Data Register (çıkış verisi)
IDR	Input Data Register (giriş verisi)
BSRR	Bit Set/Reset Register (set ve reset için)
BRR	Bit Reset Register (sadece reset için)

HSI (High‑Speed Internal Oscillator)

Dahili osilatör: MCU içinde entegre edilmiştir.
Frekans: STM32 modellerine göre genellikle 8 MHz veya 16 MHz.
Avantaj: Harici kristal gerekmez, hızlı başlar ve düşük güç tüketir.
Dezavantaj: Doğruluğu ±1 % civarında; hassas zamanlama gerektiren protokoller için ideal değil.

HSE (High‑Speed External Oscillator)

Harici kristal veya dış saat sinyali kullanır.
Desteklenen frekans: 4 MHz – 25 MHz
Avantaj: Çok daha kararlı ve doğru saat kaynağı.
Kullanım: USB, CAN, SDIO, yüksek hızlı UART gibi hassas zamanlama gerektiren iletişimler.

Programlama Notları

Reference Manual: MCU’nun tüm modülleri, register haritaları ve işleyişi hakkında ayrıntılı doküman.
Datasheet:
- Alternate Function Mapping: Pinlerin hangi alternatif işlevleri desteklediğini gösterir.
- Block Diagram: MCU içindeki birimlerin birbirine fiziksel bağlantılarını görsel olarak sunar.
Kod Optimizasyonu (STM32CubeIDE):
- Project > C/C++ Build > Optimization Level ile derleyici optimizasyon seviyesini belirler.
- Yüksek optimizasyon kod boyutunu azaltır, ancak bazen kritik kod parçalarını kaldırabilir.
Otomatik Tamamlama: STM32CubeIDE içinde Ctrl+Space

volatile Anahtar Kelimesi

Derleyicinin optimizasyonu devre dışı bırakır:
Belleğe veya donanım register’larına yazılan değişkenlerin her erişimde gerçekten okunmasını sağlar.
Kesme (ISR) veya donanım etkileşimleri sonucu değişebilecek veriler için zorunludur.

volatile uint32_t timer_ticks;

Struct Hizalaması ve Padding

C’de struct’lar, içindeki en büyük veri tipinin hizalanma gereksinimine göre “padding” ekler.
Bellek düzenini sıkı kontrol için:

#pragma pack(push, 1)
typedef struct {
    char a;   // 1 byte
    int  b;   // 4 byte
} PackedStruct;
#pragma pack(pop)


typedef struct __attribute__((packed)) {
    char a;
    int  b;
} PackedStruct;

ARM GCC Inline Assembly

C/C++ kodu içinde doğrudan ARM assembly komutları yazmanızı sağlar. Özel donanım komutları veya performans kritik işlemlerde kullanışlıdır.

int add_numbers(int a, int b) {
    int result;
    __asm__ (
        "ADD %0, %1, %2\n\t"   // ARM ADD komutu
        : "=r" (result)        // çıktı operandı
        : "r" (a), "r" (b)     // giriş operandları
        :                      // tahrip edilen register’lar
    );
    return result;
}

Not

Daha fazla bilgi için “Cortex‑M4 Devices Generic User Guide” içindeki “The Cortex‑M4 Instruction Set” bölümüne bakın.

GPIO Başlatma ve Kullanımı

Clock Aktifleştirme İlgili GPIO portunun saatini açın: RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;
Pin Modu ve Özellikleri GPIOx->MODER, OTYPER, OSPEEDR, PUPDR register’larını kullanarak:

// PA5’i push‑pull çıkış, yüksek hız, no pull‑up/down olarak ayarlama
GPIOA->MODER   &= ~(3 << (5*2));
GPIOA->MODER   |=  (1 << (5*2));       // 01 = output
GPIOA->OTYPER  &= ~(1 << 5);           // 0 = push‑pull
GPIOA->OSPEEDR |=  (3 << (5*2));       // 11 = high speed
GPIOA->PUPDR   &= ~(3 << (5*2));       // 00 = no pull‑up/down

Çıkış ve Giriş İşlemleri

output
GPIOA->ODR |=  (1 << 5);  // PA5 = HIGH
GPIOA->ODR &= ~(1 << 5);  // PA5 = LOW

Input
uint8_t state = (GPIOA->IDR & (1 << 5)) ? 1 : 0;

Bilgisayarda printf ile Debug (ITM Kullanarak)

syscalls.c içinde _write fonksiyonunu ITM’e yönlendirin

#define DEMCR           (*((volatile uint32_t*)0xE000EDFC))
#define ITM_STIMULUS0   (*((volatile uint32_t*)0xE0000000))
#define ITM_TCR         (*((volatile uint32_t*)0xE0000E00))

void ITM_SendChar(uint8_t ch) {
    DEMCR |= (1 << 24);        // TRCENA bit’i
    ITM_TCR |= 1;              // Port 0 aktif
    while ((ITM_STIMULUS0 & 1) == 0);
    ITM_STIMULUS0 = ch;
}

int _write(int file, char *ptr, int len) {
    for (int i = 0; i < len; i++) {
        ITM_SendChar((uint8_t)ptr[i]);
    }
    return len;
}

Debug Konfigürasyonu

Debug Configurations → ST‑Link GDB Server
Interface: SWD
SN: (Cihaz Seri Numarası)
Serial Wire Viewer (SWV): Enable

SWV ITM Konsolunu Açın

Window → Show View → SWV → SWV ITM Data Console
Configure Trace: Port 0 seçin → Start Trace
Artık printf("Hello %d\n", x); çağrıları SWV konsolda görünecektir.

STM32CubeIDE Kısayolları

Ctrl + O    : Açık dosyada fonksiyon ve sembolleri listeler
Ctrl + Space : Kod tamamlama (auto‑complete)