Wie schafft man 1'000'000 Schritte pro Sekunde?

... übernommen aus einem anderen Faden ...

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Stud54

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VDX
... für meine 'industriellen' CNC-Controller verwende ich auch ein STM32F4Discovery-board für 17€ beim blauen Klaus, auf die ich die Firmware für Editask10 flashe - da entwickle ich aber nicht selber, sondern kooperiere hier mit dem Entwickler, damit er für mich wesentliche Features implementiert.

Mit der Variante schaffe ich allerdings nur max. 100kHz Stepper-Takt für 3 Achsen mit 80 G-Code-Befehlen lookahead ... mit (selbst anpaßbarem/angepaßtem) Marlin4Due und Pronterface schaffe ich bis über 300kHz ... mit einem BeagleBoneBlack-Lasercontroller (4-achsig oder 2-achsig als 'XY-Scanner-Ersatz') bis zu 500kHz ...

Etwas OT.

Hast du ne Ahnung Viktor, wie der industrielle CSMIO Controller bei 3 Achsen 1MHz schafft? Was wird denn da drin stecken? Man findet da ja keine Infos, die Angabe fand ich aber irgendwie...unrealistisch.

Gruß

Wenn es schneller als die derzeit gängigen 100 kHz gehen soll, bieten sich da eine ganze Reihe Möglichkeiten:

- Die ARM Cortex-M0, -M3 und -M4 sind zwar deutlich schneller als die AVR ATmegas, doch immer noch weit entfernt vom technisch machbaren. Ein Intel i7 läuft bekanntlich mit mehr als 3 GHz, also 30 Mal schneller als ein einfacher ARM. Die Oberklasse-ARMs kommen da nahe dran. Da wäre man dann schon mal von 100 kHz auf 3 MHz.

- Die meisten Cortex-M lassen das Programm aus dem Flash heraus laufen. Flash ist langsam und kann nur mit etwa 20 MHz gelesen werden. Deswegen kann der ATmega einen Speicherplatz in einem Takt lesen, während der LPC1114 mindestens 2, manchmal 3 Takte braucht. Deswegen haben einige ARM Varianten sehr viel RAM, so dass man das Programm aus dem RAM heraus laufen lassen kann. Das dürfte etwa doppelt so schnell gehen, also 200 kHz.

- Die allermeiste Rechenzeit geht für die Berechnung der einzelnen Schritte drauf. Kann man das auf einen spezialisierten Prozessor oder ein FPGA auslagern, können diese Berechnungen zumindest teilweise parallel ablaufen. Möglicher Geschwindigkeitsfaktor sicherlich x10, also zusammen das gesuchte 1 MHz.

So einen Controller zu bauen ist ohne Zweifel möglich. Wird teuer, denn die Oberklasse-Chips kosten nicht nur eine gute Stange Geld, sondern brauchen auch mehrlagige Leiterplatten, sehr enge Pin-Abstände und dergleichen. Ein PC-Mainboard kann man zwar für weniger als 100 Euro haben, doch das sind Riesenstückzahlen. Mit selber löten geht da nichts.

Die Herausforderung ist auch, den Controller dann zu programmieren. Will man die Vorteile eines FPGA nutzen, kann man mit den bisherigen Firmwaren nicht viel anfangen. Die allermeisten RepRapper haben damit ja nicht gerade viel am Hut und für eine Einzelperson ist das eine heftige Aufgabe, ohne wirtschaftlichen Erfolg. Da würde man dann also mit einem 500-Euro-Controller stehen und fast alle würden weiter RAMPS kaufen, weil's billiger und halbwegs ausreichend ist.

Schrittmotortreiber muss man dann wohl auch selbst machen, denn beim DRV8825 ist z.B. bei 250 kHz Schluss.

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Generation 7 Electronics	Teacup Firmware	RepRap DIY

... die Teile schaffen laut dem polnischen Hersteller 4MHz, nicht nur 1!

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- STEP frequency up to 4MHz (differential outputs, very resistant to interference).
- Extremely stable machine speed control, thanks to FPGA and advanced control algorithms.

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Das dürfte ein Industrie-PC mit speziell entwickelten FPGA's zur schnelleren Verarbeitung und Ausgabe sein -

Bei meiner vorherigen Firma haben wir CNC-Controller für 3000€ verbaut, die bis zu 2MHz Encoder-Signale verarbeiten können ... 4MHz ist aber auch mit FPGA's schon recht 'sportlich' ... und dann auch noch für nur 500€

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Viktor
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Wer jetzt doch keinen FPGA programmieren will, @Wurstnase hat da gerade ein paar Bilder auf Github gepostet:





Wer entdeckt die dargestellte Schrittfrequenz?

Nach dem, was er sonst erzählt, ist das Teacup Firmware auf seinem STM32F4.

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Ja, da ging noch mehr. Ich habe vergessen, dass der 'nur' mit 96MHz lief. Ich hab den eben mal aufgedreht auf 100MHz. 1,56µs Debug-LED... Die 500kHz gingen sich dann ganz knapp nicht mehr aus.



Edit: Es macht doch einfach zu viel spaß. Ich musste das kleine Ding mal auf 108MHz tackten.


1-mal bearbeitet. Zuletzt am 23.11.15 17:44.

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Das Board gibt es auch mit 168MHz und ein paar Leute haben das dann auch schon mit 250MHz laufen lassen. Damit könnte man dann das MHz knacken.

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Wurstnase
Das Board gibt es auch mit 168MHz und ein paar Leute haben das dann auch schon mit 250MHz laufen lassen. Damit könnte man dann das MHz knacken.

Kein Theater mit der Zugriffszeit auf den Flash-Speicher?

Wie viele Register hat der STM32F4 eigentlich? Dass er nur etwa 200 Takte braucht, wo der LPC1114 für den gleichen Code knapp 300 Takte nimmt, kann ich mir im Moment nur damit erklären, dass mehr Adressen in den Registern bleiben können und nicht aus dem Flash nachgeladen werden. Der LPC1114 hat gerade mal 8 Register (ATmega: 32) und kann davon nur 6 wirklich nutzen, wenn ich das richtig mitbekommen habe.

Wobei ich auch noch auf den anderen Algorithmus, ACCELERATION_TEMPORAL, hoffe. Da werden die Achsen aus einer Schleife heraus bedient. Das sind zwar prinzipiell gleich viele Rechenoperationen, doch bei einer Schleife ist die Chance höher, dass das aus den Registern heraus passiert.

Für die Nicht-Programmierer: ein Register ist der Speicher, mit dem der Prozessor rechnet. Will man zwei Zahlen zusammen zählen, muss man Beide erst in je ein Register laden, dann rechnen, danach das Ergebnis wieder wegspeichern. Ein Lade-/Speichervorgang dauert 2 Takte, die Rechnung 1 Takt. Muss alles erst geladen werden, dauert so eine Addition also 2 + 2 + 1 + 2 = 7 Takte, während man mit einem einzigen Takt, also 7 Mal schneller, hinkommt, wenn die Zahlen von der vorherigen Operation noch in einem Register drin sind und auch für die nächste Rechnung dort behalten werden können.

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Wurstnase
Ja, da ging noch mehr.

Whow - Respekt! Gute Arbeit

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vdx
die bis zu 2MHz Encoder-Signale verarbeiten können ... 4MHz ist aber auch mit FPGA's schon recht 'sportlich'

Naja, Encoder-Signale zu verarbeiten ist auch nicht ohne. Das sind ja digitale Eingänge.
Die max. Schrittfrequenz sind ja Ausgabesignale, die "nur" von der Rechenzeit abhängen. Ist also ein völlig anderes Thema
Da hat dann die Endstufe das Problem, die Signale richtig zu verarbeiten.

1-mal bearbeitet. Zuletzt am 24.11.15 04:09.

Keine Ahnung wie das mit dem Flash-Speicher dann genau aussieht. Dazu kann man die wait-states dann ja auch entsprechend erhöhen. Standard sind 3 bei 100MHz und 3,3V.

Register hat der STM32F4 13 als General-purpose, dann noch SP, LR und PC. Plus 5 Special Registers für PSR, Primask etc.

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Brummie

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vdx
die bis zu 2MHz Encoder-Signale verarbeiten können ... 4MHz ist aber auch mit FPGA's schon recht 'sportlich'

Naja, Encoder-Signale zu verarbeiten ist auch nicht ohne. Das sind ja digitale Eingänge.
Die max. Schrittfrequenz sind ja Ausgabesignale, die "nur" von der Rechenzeit abhängen. Ist also ein völlig anderes Thema
Da hat dann die Endstufe das Problem, die Signale richtig zu verarbeiten.

Die 'Geschwindigkeit' der Endstufen ist hier weniger das Problem - ich habe 1/256-Mikroschritt-Endstufen von IMS, die bis zu 10MHz getaktet werden können.

Bisher habe ich aber noch keinen CNC-Controller, der mehr als 300 oder 500kHz schafft

@Wurstnase - hab' das im github auch schon gefragt -- ich suche eine Lösung zum Ansteuern einer Drehachse in Kombination mit dem Byte-weisen Auslesen einer SD-Karte und Ausgeben auf einen Analogausgang mit >300kHz (idealerweise bis 1MHz) ... ginge das evtl. mit deinem STM32F4-port kurzfristig zu programmieren?

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Viktor
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Hi Viktor,

kurzfristig ist bei mir schonmal ganz schlecht, da ich in 2 Wochen im Urlaub bin und noch ne Menge zu tun habe bis dahin. Zudem läuft die Firmware aktuell quasi im Standard und auch nur mit normalen Gcodes. Ich kann dir auch nicht sagen wie schnell der analoge Ausgang ist, bzw. warum Analog? SD-Karten laufen aktuell auch noch nicht. Als nächstes steht erst einmal der ADC an und dann geht es weiter mit der Anleitung vom Generic Arm Port von Traumflug.

Das schlimmste am Port war eigentlich das Loswerden vom ganzen Balast den MBED mitbringt. Angefangen hat es mit ~50 Dateien, vielen asserts und so. Aktuell sind davon nach vielen Verfeinerungen noch 2 oder 3 Dateien in der ursprünglichen Variante über und 4 oder 5 in einer stark modifizierten Version.

Ich weiß auch nicht wie es mit endlosen Bewegungen in Teacup aussieht. Die Bewegungsequenzen müssen mindesten auf 2^31 steps begrenzt werden, soweit ich das aktuell sehe. Aber da bin ich mich auch erst am reinlesen.

Edit: Grad nochmal das Board genauer angesehen. Das Nucleo F411RE was ich habe, hat keinen DAC.

1-mal bearbeitet. Zuletzt am 24.11.15 06:35.

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Ich lese echt gerne mit, wenn ihr euch unterhaltet. Die Hälfte versteh ich wenigstens.

Traumflug und Wurstnase....die Steck ich mal zusammen in ne einsame Skihütte, für ein paar Wochen. Kommt sicher was Witziges bei raus.
Glatzemann kommt nen Tag später mit 6 Flaschen Glühwein mit dazu.....und schwupps, haben wir endlich endlich was Gescheites...

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Power is nothing.....without control!

Inspiriert von eurem Thread hab ich mir dann auch eben mal zwei Nucleo F411RE bestellt um damit ein wenig zu spielen. Die sind ja echt verdammt günstig, wenn man das mit nem Due vergleicht...

Weis einer von euch, ob die FPU darauf brauchbar ist?

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Microsoft MVP in den Kategorien DirectX/XNA * Visual C++ * Visual Studio and Development Technologies seit 2011

• Mein Erster (RAMPS 1.4, Selbstbau WolfStrap-Derivat mit Linearführungen, Wade Extruder und E3D lite6 Hotend)
• Cub44 (Selbstbau Dual Wire Gantry Derivat mit Zahnriemen und Linearschienen, RADDS 1.5 und DUE, Custom Hotend - E3D like, Compact Bowden Extruder)
• HexMax (sechseckiger Delta (eigenes Design) mit Druckraum 300mm Durchmesser und >=400mm Höhe, RADDS 1.5, 24V, Custom Hotend, Compact Bowden Extruder)
• P3Steel Toolson MK2 - Keine Zeit zum selbst planen ;-)

Andere Projekte: FSR Board (ABL-Sensor-Platine inkl. Firmware) * ThirtyTwo (32Bit RepRap-Firmware)

... ich habe einen STM32F4Discovery mit 168MHz und 3x 12-Bit ADC's und 2x 12-Bit DAC's, was also gehen sollte - ich würde das auch selber umprogrammieren, wenn's nicht zu lange dauert ... bin noch an ein paar anderen Baustellen dran

Alternativ hätte ich noch ein deutlich schnelleres Discovery-Board mit Touch-Display drauf, wollte das aber für was anderes nehmen ...

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Viktor
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Die FPU kann halt single-float. Keine Ahnung ob das 'brauchbar' ist. Teacup braucht den nicht.

Es gibt neben dem F411RE auch noch einen F446RE. Kostet 6€ mehr und läuft auf 180MHz und hat dazu noch 2 DAC. Ich denke, dass man damit, und mit den Standard-mbed mit ein paar kleinen Modifikationen sicher einen sehr schnellen DAC entwickeln kann. Dazu braucht man ja auch keine komplette Firmware für.

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Die mbed-Sachen sind eigentlich ganz gut. Damit kann man recht schnell losprogrammieren und sollten auch bei 99% ausreichen. Nachteil ist der erhöhte Speicherbedarf und die Geschwindigkeitsverluste.

Ich würde damit aber einfach mal den DAC ansprechen. SD-Karte über nen DMA auslesen. Den Timer und DAC-Ausgang kann man auch über mbed initialisieren.
Die Feinarbeiten sollte man dann über einen direkten Registerzugriff machen um auf volle Geschwindigkeit zu kommen.

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Ich verstehe fast…….nichts… Aber den Glühwein trink ich !

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1 Drucker: [forums.reprap.org]
2 Drucker: [forums.reprap.org]
3 Drucker: [forums.reprap.org]

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VDX
@Wurstnase - hab' das im github auch schon gefragt -- ich suche eine Lösung zum Ansteuern einer Drehachse in Kombination mit dem Byte-weisen Auslesen einer SD-Karte und Ausgeben auf einen Analogausgang mit >300kHz (idealerweise bis 1MHz) ... ginge das evtl. mit deinem STM32F4-port kurzfristig zu programmieren?

Wenn es nur eine einzige Achse ist, kann der Bresenham und damit 80% der Rechenarbeit weg fallen. Dann sind schon auf dem ATmega 1 MHz drin. Wenn die Beschleunigung auch noch weg fällt wird es nochmal deutlich einfacher, dann ist man bei einem 6-Zeilen-Programm:

uint32_t steps = whatever;
while (steps) {   // 4 Takte
  WRITE(pin, 1);  // 2 Takte
  steps--;        // 4 Takte
  WRITE(pin, 0);  // 2 Takte
}                 // 2 Takte

Das sind auf dem guten alten ATmega geschätzt 14 Takte, also > 1 MHz. Braucht man eine definierte Geschwindigkeit, braucht man NOPs oder einen Timer, wobei Letzterer zusätzlich mindestens 20 Takte kostet.

Lesen der SD-Karte schafft der ATmega mit etwa 1 MB/s. Ein Dateisystem ist allerdings hinderlich, denn dann muss alle 512 Bytes der nächste Sektor gesucht werden. Bleibt die Frage, was da auf diesen Analogausgang ausgegeben werden soll, wie sich der Inhalt der SD-Karte zu den Motorbewegungen und eben diesem Ausgang verhalten sollen und wie viel Zeit zwischen einzelnen Bewegungen sein darf.

Abgesehen vom Analogausgang ist da ein Arduino Nano für 3 Euro ausreichend.

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... mit den Standard-Arduino-libs komme ich mit SD-Karte lesen und Analog-Ausgabe auf etwa 80kHz synchronisierten 'Durchsatz', was viel zu langsam ist - hab' mich in Register-I/O's eingelesen, was teilweise bis 10x schneller geht, muß das Alles nur irgendwie zusammenbekommen ...

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Viktor
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mit den Standard-Arduino-libs ...

Also wenn Du Geschwindigkeit erreichen willst, solltest Du Arduino-libs meiden, wie der Teufel das Weihwasser

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Die 'Geschwindigkeit' der Endstufen ist hier weniger das Problem - ich habe 1/256-Mikroschritt-Endstufen von IMS, die bis zu 10MHz getaktet werden können.

Krass - sind die noch bezahlbar und für Normalos kaufbar?

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Bisher habe ich aber noch keinen CNC-Controller, der mehr als 300 oder 500kHz schafft

Hast Du schon mal Meister Benezan angesprochen?

1-mal bearbeitet. Zuletzt am 24.11.15 23:21.

Das was Viktor braucht klingt für mich wie nen Plattenrekorder

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@Brummie:

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Die 'Geschwindigkeit' der Endstufen ist hier weniger das Problem - ich habe 1/256-Mikroschritt-Endstufen von IMS, die bis zu 10MHz getaktet werden können.

Krass - sind die noch bezahlbar und für Normalos kaufbar?

... ich habe sie für á 30€ von einem Fori aus der CNC-Ecke bekommen ... normal kosten sie glaube ich um 300-400$

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Bisher habe ich aber noch keinen CNC-Controller, der mehr als 300 oder 500kHz schafft

Hast Du schon mal Meister Benezan angesprochen?

... ich bin mit ihm gelegentlich in Kontakt, dafür hat's aber auch noch nicht gereicht ...



@Wurstnase:

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Das was Viktor braucht klingt für mich wie nen Plattenrekorder

... nicht ganz -- statt Scheibe wird ein Zylinder 'beschrieben' (obwohl ich die Anfrage für einen Plattenrecorder auch schon hatte)

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VDX
@Wurstnase:

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Das was Viktor braucht klingt für mich wie nen Plattenrekorder

... nicht ganz -- statt Scheibe wird ein Zylinder 'beschrieben' (obwohl ich die Anfrage für einen Plattenrecorder auch schon hatte)

[de.wikipedia.org] ?

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Most important Gcode.

... wenn sie damals schon Laser gehabt hätten, käme das beinahe hin

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Viktor
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... hab' mal auf die Schnelle einen Testaufbau aus einem alten Druckwerk gemacht - der X-Motor hat ein sehr kleines Ritzel und 605 Mikroschritte pro Millimeter, der Rollenmotor ist total untersetzt und macht 1825 Mikroschritte pro Millimeter.

Hier ist das Testteil beim horizontalen Abzeilen zu sehen - im echten Aufbau soll das ein 'Abwickeln' über die Rolle werden -- der Rollenvorschub macht momentan 0.1mm pro Zeile, später sollen das bis zu 0.005mm werden

[vimeo.com]

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Viktor
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Hier ist das Testteil beim horizontalen Abzeilen zu sehen

Krass! - Wieso macht man(n) denn sowas?
Einen Laser elektrisch abzulenken geht doch zig Faktoren schneller
Was ist der Sinn, sowas mechanisch zu tun?

... 'Photogravur' und Druckplatten mit Maßen die weit über die Arbeitsgrößen von Galvoscannern hinausgehen

Außerdem ist das nur ein 'Funktions-Testmuster' - bei der richtigen Anlage rotiert die viel größere Trommel mit etwa 100 rpm, so daß die 'Pixelrate' etwa im Frequenzbereich der Galvoscanner liegt, und die gefordert Genauigkeit bei der Arbeitsfeld-Größe bekommst du mit einem Galvoscanner auch nicht mehr hin ...

1-mal bearbeitet. Zuletzt am 25.11.15 11:00.

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Traumflug
Wer jetzt doch keinen FPGA programmieren will, @Wurstnase hat da gerade ein paar Bilder auf Github gepostet:

[attachment 66432 af897a94-922f-11e5-8ed5-44c76db916d5.png]

[attachment 66433 734aedf4-9231-11e5-9d20-2b748f2db64d.png]

Nach dem, was er sonst erzählt, ist das Teacup Firmware auf seinem STM32F4.

Wie? Was? Wo?
Github.com search liefert:

We couldn’t find any repositories matching 'wurstnase'
You could try an advanced search.

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Wurstnase
Das Nucleo F411RE was ich habe, hat keinen DAC.

Genau deswegen hab ich drauf verzichtet.
F4Discovery müsste einen haben, F3 ebenso, aber keine FPU.

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bianchifan
We couldn’t find any repositories matching 'wurstnase'

Der @Wurstnase ist eben ein weiser Mensch und versteckt sich nicht in seinem Fork, sondern arbeitet im offiziellen Teacup-Repo.

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bianchifan
Genau deswegen hab ich drauf verzichtet.

Schau mal, das Board von Olimex hat alles was man nicht braucht

Nen DAC braucht ne normale Druckerhardware ja auch nicht.

Den Branch findet man bei Teacup unter arm-stm32f411-port. Damit sollte soweit jeder Nucleo F4xx laufen. Höchstens den Tackt über HSE/PLL und co muss man hinzufügen und die Baudrate neu berechnen. Das ist aber schnell und einfach gemacht.

Aktuell bin ich beim ADC dabei.

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