Getting Started with Tiva ARM Cortex M4 Microcontrollers: A Lab Manual for Tiva LaunchPad Evaluation Kit

282 Pages·2018·13.22 MB·English

by  Dhananjay V. Gadre

Dhananjay V. Gadre
Sarthak Gupta
Getting Started
with Tiva ARM
Cortex M4
Microcontrollers
A Lab Manual for Tiva LaunchPad
Evaluation Kit
Getting Started with Tiva ARM Cortex M4
Microcontrollers
Dhananjay V. Gadre Sarthak Gupta
(cid:129)
Getting Started with Tiva
ARM Cortex M4
Microcontrollers
A Lab Manual for Tiva LaunchPad Evaluation
Kit
123
Dhananjay V.Gadre SarthakGupta
DivisionofElectronicsandCommunications TICentre for EmbeddedProduct Design
Engineering Netaji Subhas Institute of Technology
Netaji Subhas Institute of Technology NewDelhi
NewDelhi India
India
ISBN978-81-322-3764-8 ISBN978-81-322-3766-2 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-81-322-3766-2
LibraryofCongressControlNumber:2017948637
©Springer(India)Pvt.Ltd.2018
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Theregisteredcompanyaddressis:7thFloor,VijayaBuilding,17BarakhambaRoad,NewDelhi110001,India
To Professor T. J. Joseph (Newman College,
Thodupuza, Kerala). In solidarity.
–Dhananjay V. Gadre
To my grandparents, parents
and
my sisters who inspired me to work hard
and
give my best
–Sarthak Gupta
Acknowledgements
The need for this lab manual arose because Texas Instruments (TI) launched the
new TIVA family of Cortex-M microcontroller platform after they obsoleted the
Stellaris ARM microcontroller platform in 2012. With the launch of TIVA plat-
form, corresponding LaunchPad evaluation kits were also made available. The
LaunchPad evaluation kit is very versatile for hardware debugging; however, it
lacks suitable sensors for physical interfacing that are critically required for a lab
course. This led to the development of the Padma board as described in this text.
The following people extended great help in the development of the Padma
Board and in completing this book: Dr. C. P. Ravikumar, the then director of
university relations at Texas Instruments India; Sagar Juneja also at the Texas
Instruments India office at the time together with Vaibhav Ostwal, were very effi-
cient in catering to our needs whether they be of chip samples or evaluation kits.
SincetakingoverthereinsoftheuniversityrelationsprogramatTexasInstruments,
India,SanjaySrivastavaandhisteamhavebeenveryhelpfulandresponsivetoour
requirements.ThanksareduetoseveralofmystudentsattheCentreforElectronic
DesignandTechnology(CEDT)atNSITwhohelpedinvariousformsthroughthe
development of this manuscript and before that during the design of the Padma
Board, most notably Rohit Dureja and Anshuman Mishra.
I am proud of Sarthak Gupta who has done an admirable job as my co-author!
I thank Swati Meherishi, my editor at Springer for her continued support and
persistence. She is a big reason for this book to see the light of the day!
And most of all, my wife Sangeeta and son Chaitanya for their love, care, and
understanding without which I could not have started this project.
Dhananjay V. Gadre
New Delhi, India
vii
Contents
1 Introduction... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 1
1 Tiva LaunchPad .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 2
2 PadmaBoard... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 3
3 Tiva C Series Microcontroller Breakout Board.. .... ..... .... 4
4 Look Ahead!... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 5
5 List of Experiments . ..... .... .... .... .... .... ..... .... 6
2 ARM Cortex-M4 Core and Tiva C Series Peripherals.. ..... .... 13
1 Overview of ARM Cortex-M4 Architecture.... .... ..... .... 14
2 Cortex-M4 Core Peripherals.... .... .... .... .... ..... .... 15
2.1 Nested Vectored Interrupt Controller (NVIC) . ..... .... 15
2.2 Floating Point Unit (FPU).... .... .... .... ..... .... 16
2.3 System Control Block (SCB) . .... .... .... ..... .... 16
2.4 System Timer-SysTick .. .... .... .... .... ..... .... 16
2.5 Memory Protection Unit (MPU) ... .... .... ..... .... 16
3 Programmer’s Model ..... .... .... .... .... .... ..... .... 17
3.1 Processor Modes... .... .... .... .... .... ..... .... 17
3.2 Privilege Levels.... .... .... .... .... .... ..... .... 17
3.3 Stacks.. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 18
3.4 Core Registers..... .... .... .... .... .... ..... .... 18
4 Memory Model. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 20
4.1 Memory Map ..... .... .... .... .... .... ..... .... 20
4.2 Bit Banding.. ..... .... .... .... .... .... ..... .... 20
4.3 Memory Endianness .... .... .... .... .... ..... .... 22
5 Advanced Microcontroller Bus Architecture (AMBA) ..... .... 23
5.1 Advanced High-Performance Bus (AHB) .... ..... .... 24
5.2 Advanced Peripheral Bus (APB)... .... .... ..... .... 24
6 Texas Instruments Tiva C Series Family .. .... .... ..... .... 24
ix
x Contents
3 Tiva C Series LaunchPad..... .... .... .... .... .... ..... .... 27
1 Board Overview.... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 27
2 Hardware Description..... .... .... .... .... .... ..... .... 28
2.1 Power Supply ..... .... .... .... .... .... ..... .... 28
2.2 Hibernate.... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 28
2.3 Clock .. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 29
2.4 Reset... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 29
2.5 In-Circuit Debug Interface (ICDI).. .... .... ..... .... 30
2.6 LEDs and Switches. .... .... .... .... .... ..... .... 30
2.7 Microcontroller Expansion Headers. .... .... ..... .... 31
4 PadmaBoard—Peripheral Motherboard of Tiva C Series
LaunchPad.... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 33
1 Board Overview.... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 33
2 Schematic and Layout .... .... .... .... .... .... ..... .... 35
3 Pin Assignment to Peripherals .. .... .... .... .... ..... .... 37
4 Peripherals Description.... .... .... .... .... .... ..... .... 37
4.1 Temperature Sensor. .... .... .... .... .... ..... .... 37
4.2 Audio Input.. ..... .... .... .... .... .... ..... .... 37
4.3 Light Sensor . ..... .... .... .... .... .... ..... .... 40
4.4 I2C Bus Connector and Magnetic Field Sensor..... .... 40
4.5 IR Transmitter and Receiver; and Ultrasonic Sensor
Connector ... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 41
4.6 Buzzer.. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 42
4.7 Three LEDs.. ..... .... .... .... .... .... ..... .... 42
4.8 Serial Communication Port Using UART Protocol.. .... 43
4.9 Serial LCD with 16 Keys Keypad.. .... .... ..... .... 44
4.10 PS/2 Connector.... .... .... .... .... .... ..... .... 46
4.11 MicroSD Card Interface . .... .... .... .... ..... .... 46
4.12 TV and Potentiometer... .... .... .... .... ..... .... 46
4.13 Real-Time Clock (RTC) . .... .... .... .... ..... .... 47
4.14 Dual DAC with Audio Out... .... .... .... ..... .... 48
5 Jumper Selection.... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 48
5 Tiva C Series Microcontroller Breakout Board ... .... ..... .... 53
1 Board Overview.... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 53
2 Schematic and Layout .... .... .... .... .... .... ..... .... 55
3 Hardware Description..... .... .... .... .... .... ..... .... 55
3.1 Power Supply ..... .... .... .... .... .... ..... .... 55
3.2 Hibernate.... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 56
3.3 Clock .. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 57
3.4 Reset... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 58
3.5 Debug Connector .. .... .... .... .... .... ..... .... 58
3.6 LED and Switches . .... .... .... .... .... ..... .... 59
3.7 Microcontroller Expansion Headers. .... .... ..... .... 59
4 Programming Tiva C Series Microcontrollers... .... ..... .... 59
Contents xi
6 GNU ARM Toolchain .. ..... .... .... .... .... .... ..... .... 61
1 Introduction ... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 61
2 Programming Environment Components... .... .... ..... .... 62
2.1 Preprocessing ..... .... .... .... .... .... ..... .... 63
2.2 Compiling... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 64
2.3 Assembling.. ..... .... .... .... .... .... ..... .... 64
2.4 Linking. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 64
3 Programming Environment for Tiva C Series Microcontroller
Family ... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 64
4 Setting up the Development Environment.. .... .... ..... .... 66
7 Structure of Embedded C Program .... .... .... .... ..... .... 85
1 Anatomy of Embedded C Program... .... .... .... ..... .... 85
2 Experiment 1—Blinky .... .... .... .... .... .... ..... .... 87
2.1 Objective.... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 87
2.2 Hardware Description ... .... .... .... .... ..... .... 87
2.3 Program Flow..... .... .... .... .... .... ..... .... 88
2.4 Register Accesses .. .... .... .... .... .... ..... .... 89
2.5 Program Code..... .... .... .... .... .... ..... .... 89
3 Experiment 2—Switchy ... .... .... .... .... .... ..... .... 90
3.1 Objective.... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 90
3.2 Hardware Description ... .... .... .... .... ..... .... 90
3.3 Program Flow..... .... .... .... .... .... ..... .... 91
3.4 Register Accesses .. .... .... .... .... .... ..... .... 91
3.5 Program Code..... .... .... .... .... .... ..... .... 92
8 Application Programming Interface (API) ... .... .... ..... .... 95
1 Peripheral Driver Library .. .... .... .... .... .... ..... .... 95
2 Programming Models..... .... .... .... .... .... ..... .... 96
2.1 Direct Register Access Model. .... .... .... ..... .... 96
2.2 Software Driver Model.. .... .... .... .... ..... .... 97
2.3 Using Both Models. .... .... .... .... .... ..... .... 97
3 Useful API Function Calls . .... .... .... .... .... ..... .... 97
9 Digital Input/Output.... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 101
1 Experiment 3—API Blinky. .... .... .... .... .... ..... .... 101
1.1 Objective.... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 101
1.2 Hardware Description ... .... .... .... .... ..... .... 101
1.3 Program Flow..... .... .... .... .... .... ..... .... 102
1.4 Useful API Function Calls ... .... .... .... ..... .... 102
1.5 Program Code..... .... .... .... .... .... ..... .... 105
2 Experiment 4—API Switchy.... .... .... .... .... ..... .... 106
2.1 Objective.... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 106
2.2 Hardware Description ... .... .... .... .... ..... .... 106
xii Contents
2.3 Program Flow..... .... .... .... .... .... ..... .... 106
2.4 Useful API Functions Calls... .... .... .... ..... .... 107
2.5 Program Code..... .... .... .... .... .... ..... .... 109
3 Experiment 5—Running LEDs.. .... .... .... .... ..... .... 110
3.1 Objective.... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 110
3.2 Hardware Description ... .... .... .... .... ..... .... 111
3.3 Program Flow..... .... .... .... .... .... ..... .... 111
4 Experiment 6—LED as Light Sensor. .... .... .... ..... .... 112
4.1 Objective.... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 112
4.2 Hardware Description ... .... .... .... .... ..... .... 112
4.3 Program Flow..... .... .... .... .... .... ..... .... 115
5 Experiment 7—Switch Toggle .. .... .... .... .... ..... .... 115
5.1 Objective.... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 115
5.2 Hardware Description ... .... .... .... .... ..... .... 117
5.3 Experiment Tips ... .... .... .... .... .... ..... .... 117
6 Experiment 8—Electronic Dice . .... .... .... .... ..... .... 117
6.1 Objective.... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 117
6.2 Hardware Description ... .... .... .... .... ..... .... 117
6.3 Experiment Tips ... .... .... .... .... .... ..... .... 117
7 Experiment 9—Live Morse Generation ... .... .... ..... .... 118
7.1 Objective.... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 118
7.2 Hardware Description ... .... .... .... .... ..... .... 118
7.3 Experiment Tips ... .... .... .... .... .... ..... .... 119
8 Experiment 10—Morse Recorder .... .... .... .... ..... .... 120
8.1 Objective.... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 120
8.2 Hardware Description ... .... .... .... .... ..... .... 120
9 Experiment 11—Car Parking Sensor . .... .... .... ..... .... 120
9.1 Objective.... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 120
9.2 Hardware Description ... .... .... .... .... ..... .... 120
9.3 Experiment Tips ... .... .... .... .... .... ..... .... 122
10 Interrupts. .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 123
1 Exception Handling . ..... .... .... .... .... .... ..... .... 123
1.1 Exception States ... .... .... .... .... .... ..... .... 124
1.2 Exception Types... .... .... .... .... .... ..... .... 124
1.3 Exception Handler.. .... .... .... .... .... ..... .... 126
1.4 Exception Priorities. .... .... .... .... .... ..... .... 126
2 Experiment 12—Interrupt Switchy... .... .... .... ..... .... 126
2.1 Objective.... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 126
2.2 Hardware Description ... .... .... .... .... ..... .... 127
2.3 Program Flow..... .... .... .... .... .... ..... .... 127
2.4 Useful API Function Calls ... .... .... .... ..... .... 128