# VersaMCU

Firmware für das VersaPad v2 Macro-Pad.
Läuft auf einem **ATSAMD21G17D** (Cortex-M0+), entwickelt mit PlatformIO + Arduino-Framework.

## Voraussetzungen

- [PlatformIO](https://platformio.org/) (CLI oder VS Code Extension)
- **Atmel-ICE** Debugger/Programmer (SWD-Verbindung zur PCB)
- [OpenOCD](https://openocd.org/) – wird von PlatformIO automatisch installiert

## Flashen

```bash
pio run --target upload
```

Der Upload läuft via OpenOCD über SWD. Kein Bootloader nötig – der Chip wird direkt programmiert.

---

## Funktionsumfang (Anforderungskatalog)

### 1 Hardware-Plattform

| # | Anforderung | Status |
|---|-------------|--------|
| 1.1 | Ziel-MCU: **ATSAMD21G17D** (Cortex-M0+, 48 MHz, 128 KB Flash, 16 KB RAM) | ✅ |
| 1.2 | Framework: **Arduino + PlatformIO**, kein Bootloader (Direktflash via SWD/Atmel-ICE) | ✅ |
| 1.3 | USB-Enumeration ohne externen Quarz (`-DCRYSTALLESS`, DFLL48M nutzt USB-SOF als Referenz) | ✅ |
| 1.4 | Benutzerdefiniertes Board-Profil (`versapad_nobl.json`) mit korrekten Flash/RAM-Limits | ✅ |

### 2 Tasten-Matrix

| # | Anforderung | Status |
|---|-------------|--------|
| 2.1 | **5×5-Matrix-Scan** (25 Keys, davon 20 MX-Buttons + 4 Encoder-SW + 1 NC) | ✅ |
| 2.2 | **10 ms Software-Debounce** pro Taste (Flanken-Erkennung) | ✅ |
| 2.3 | KEY_DOWN- und KEY_UP-Events werden in die Event-Queue geschrieben | ✅ |
| 2.4 | Matrix-Scan im **Loop-Kontext** (kein ISR, kein Heap) | ✅ |

### 3 Encoder

| # | Anforderung | Status |
|---|-------------|--------|
| 3.1 | **4 Quadratur-Encoder** (A/B-Phasen per EIC-Interrupt) | ✅ |
| 3.2 | **Richtungserkennung**: CW / CCW via 2-Bit-Greycode-Auswertung | ✅ |
| 3.3 | Encoder-Events im ISR-Kontext direkt in Event-Queue (interrupt-sicher, kein Heap) | ✅ |
| 3.4 | Encoder-SW-Tasten über Matrix-Scan (gleicher Pfad wie MX-Buttons) | ✅ |

### 4 Aktions-Engine

| # | Anforderung | Status |
|---|-------------|--------|
| 4.1 | **ActionType NONE**: kein HID-Event beim Drücken | ✅ |
| 4.2 | **ActionType HID_KEY**: USB-HID-Tastendruck (Keycode + Modifier-Byte) | ✅ |
| 4.3 | **ActionType HID_CONSUMER**: USB Consumer Control (Play/Pause, Lautstärke …) | ✅ |
| 4.4 | **ActionType HOST_COMMAND**: Event-ID an VersaGUI senden, App führt aus | ✅ |
| 4.5 | **ActionType MACRO**: Sequenz aus bis zu 4 HID-Key-Schritten aus NVM-Tabelle abspielen | ✅ |
| 4.6 | Jede Aktion ausführbar **ohne laufende VersaGUI** (lokal per HID/Makro) | ✅ |

### 5 Makro-System

| # | Anforderung | Status |
|---|-------------|--------|
| 5.1 | **32 Makro-Slots**, je **4 Steps** (Keycode + Modifier-Byte) = 256 Byte gesamt | ✅ |
| 5.2 | Steps mit `keycode = 0` werden übersprungen (variable Makrolänge 1–4) | ✅ |
| 5.3 | Timing: 10 ms Key-Down-Dauer + 20 ms Pause zwischen Steps | ✅ |
| 5.4 | Makro-Tabelle in **separater NVM-Row** (Row 1, 0x1FF00, 256 Byte) | ✅ |
| 5.5 | Makro-Tabelle wird beim Start aus NVM geladen; gelöschter Flash (0xFF) → leere Tabelle | ✅ |

### 6 LED-System (WS2812)

| # | Anforderung | Status |
|---|-------------|--------|
| 6.1 | **20 WS2812-LEDs**, serpentiner Verdrahtung; Adafruit-NeoPixel bit-bang Treiber | ✅ |
| 6.2 | **2-Schicht-Modell** pro Button: `base` (Idle) + `override` (temporär von GUI) | ✅ |
| 6.3 | **STATIC**: feste Farbe aus NVM | ✅ |
| 6.4 | **BLINK**: binäres An/Aus mit konfigurierbarer Halbperiode | ✅ |
| 6.5 | **PULSE**: lineares Helligkeitsdreieck (0→255→0), kein Float | ✅ |
| 6.6 | **COLOR_CYCLE** (Regenbogen): Hue-Sweep über 6 Segmente, ignoriert base/override | ✅ |
| 6.7 | **COLOR_FADE**: einmaliger RGB-Crossfade zu Zielfarbe | ✅ |
| 6.8 | Phasenversatz beim Start: Regenbogen-LEDs sind gleichmäßig über die Periode verteilt | ✅ |
| 6.9 | `ws2812_show()` nur bei dirty-Flag aufgerufen (~600 µs Blockzeit vermieden) | ✅ |
| 6.10 | Alle Animationen in **Integer-Arithmetik** (kein FPU auf M0+) | ✅ |

### 7 Konfigurations-Speicherung (NVM)

| # | Anforderung | Status |
|---|-------------|--------|
| 7.1 | Config-Layout **Version 2**, 223 Byte packed, mit Magic `0x56503202` + CRC16-CCITT | ✅ |
| 7.2 | Config gespeichert in **NVM Row 0** (0x1FE00, 256 Byte, via Linkerscript reserviert) | ✅ |
| 7.3 | Makro-Tabelle in **NVM Row 1** (0x1FF00, 256 Byte) | ✅ |
| 7.4 | NVM-Schreiben: Row löschen + 4 Pages à 64 Byte manuell schreiben (MANW=1) | ✅ |
| 7.5 | Bei ungültigem Magic / falscher Version / CRC-Fehler → **Defaults** laden (kein Crash) | ✅ |
| 7.6 | Defaults: alle Aktionen NONE, LEDs warm-weiß, Animation Regenbogen 4 s | ✅ |

### 8 Serial-Kommunikation mit VersaGUI

| # | Anforderung | Status |
|---|-------------|--------|
| 8.1 | **CDC Serial** (USB), kein Treiber nötig; 8-Byte-Festlängen-Pakete | ✅ |
| 8.2 | **Ring-Buffer** (256 Byte = 32 Pakete) für eingehende Bytes; kein Datenverlust bei Burst | ✅ |
| 8.3 | **Ping / Pong** (0x05 / 0x85) zur Verbindungsdiagnose | ✅ |
| 8.4 | **Config-Transfer PC→Board**: BEGIN(0x10) → 38×DATA(0x11) → COMMIT(0x12) → ACK/NACK | ✅ |
| 8.5 | **Config-Dump Board→PC**: auf READ(0x13) → BEGIN(0x92) → 38×DATA(0x93) → END(0x94) | ✅ |
| 8.6 | **Makro-Transfer PC→Board**: BEGIN(0x20) → 43×DATA(0x21) → COMMIT(0x22) → ACK(0x95) | ✅ |
| 8.7 | **Makro-Dump Board→PC**: auf READ(0x23) → BEGIN(0x96) → 43×DATA(0x97) → END(0x98) | ✅ |
| 8.8 | Config-COMMIT validiert Magic + Version + CRC; bei Fehler **NACK** ohne NVM-Schreiben | ✅ |
| 8.9 | Alle Sende-Pakete nur wenn `SerialUSB` aktiv (DTR-Check verhindert stilles Verwerfen) | ✅ |

### 9 Nicht implementiert / Roadmap

| # | Anforderung | Status |
|---|-------------|--------|
| 9.1 | **Fader/Potentiometer**: 3× ADC-Kanäle auf Board vorhanden, HAL nicht implementiert | 🔲 TODO |
| 9.2 | **HOST_COMMAND-Payload**: Board sendet Command-ID, App-Seite führt aus (halbfertig) | 🔲 TODO |
| 9.3 | **FADE_IN / FADE_OUT** per GUI konfigurierbar (Firmware vorhanden, kein GUI-Eintrag) | 🔲 TODO |

---

## Projekt-Struktur

```
VersaMCU/
├── platformio.ini          – Build- und Upload-Konfiguration
├── upload_openocd.py       – Benutzerdefiniertes Upload-Script (OpenOCD)
├── boards/
│   ├── versapad.json       – Board-Definition mit Bootloader
│   └── versapad_nobl.json  – Board-Definition ohne Bootloader (aktiv)
├── variants/versapad/
│   ├── variant.h/.cpp      – Pin-Mapping für den SAMD21G17D
│   └── linker_scripts/     – Linkerscript (kein Bootloader, NVM-Reservierung)
└── src/
    ├── main.cpp                   – Arduino setup()/loop()
    ├── CMainController.h/.cpp     – Zentraler Orchestrator
    ├── CButton.h/.cpp             – Button-Modell: LED-Schichten, Action, Animationen
    ├── CEventQueue.h/.cpp         – Ring-Buffer FIFO (16 Slots, kein Heap)
    ├── SEvent.h                   – Event-Typen (KEY_DOWN/UP, ENC_CW/CCW)
    ├── config/
    │   ├── pins.h                 – Pin-Nummern (Arduino-Nummern aus variant.h)
    │   ├── action.h               – ActionType-Enum + SAction-Struct (packed)
    │   └── nvm_config.h/.cpp      – NVM-Config: Laden, Speichern, CRC16, Defaults
    └── hal/
        ├── matrix.h/.cpp          – 5×5-Matrix-Scan, 10 ms Debounce
        ├── encoder.h/.cpp         – Quadratur-Dekodierung via EIC-Interrupts
        ├── ws2812.h/.cpp          – WS2812-LED-Treiber (Adafruit NeoPixel, bit-bang)
        ├── usb_hid.h/.cpp         – HID Keyboard + Consumer Control
        └── usb_serial.h/.cpp      – CDC Serial bidirektional, 8-Byte-Pakete
```

## Architektur

### Loop-Ablauf

```
loop()
  ├── matrix_scan()    → matrix_cb()    → CEventQueue.push()
  │   (Encoder-ISRs laufen asynchron)  → CEventQueue.push()
  ├── poll_vendor()    → Serial-Pakete von VersaGUI verarbeiten
  ├── processEvents()  → Queue leeren, Aktionen ausführen
  └── updateLEDs()     → Dirty-CButtons → WS2812-Buffer → show()
```

### CButton – LED-Schichten

Jeder MX-Button hat zwei LED-Schichten:
- **base**: Konfigurierte Idle-Farbe (aus NVM)
- **override**: Temporär von VersaGUI gesetzt (Benachrichtigungen etc.)

Aktive Farbe = `override` wenn aktiv, sonst `base`. `clear_override()` kehrt sofort zu `base` zurück.

### LED-Animationen

| Animation | Verhalten |
|---|---|
| `STATIC` | Feste Farbe |
| `BLINK` | Binäres An/Aus |
| `PULSE` | Lineares Dreieck 0→255→0 |
| `FADE_IN / FADE_OUT` | Einmaliges Ein-/Ausblenden |
| `COLOR_CYCLE` | Hue-Sweep (Regenbogen), ignoriert base/override |
| `COLOR_FADE` | Crossfade zu Zielfarbe |

Alle Berechnungen in Integer-Arithmetik (kein FPU auf Cortex-M0+).

**Warum Bit-Bang statt DMA?**

WS2812-DMA auf dem SAMD21 würde einen SERCOM im SPI-Modus bei exakt 2,4 MHz benötigen, wobei jedes WS2812-Bit als 3 SPI-Bits kodiert wird (`110` = 1, `100` = 0). Das erfordert einen zusätzlichen Puffer von 20 LEDs × 24 Bit × 3 = 1440 Byte — mehr als 8 % des gesamten RAM — plus DMAC-Konfiguration und Transfer-Ende-Erkennung.

`ws2812_show()` blockiert ~600 µs mit gesperrten Interrupts, wird aber nur bei gesetztem dirty-Flag aufgerufen. Bei 20 ms Loop-Rate entspricht das 3 % der Loop-Zeit. Encoder-Impulse, die in dieses Fenster fallen, werden maximal um eine Loop-Iteration verzögert; bei typischen Drehgeschwindigkeiten (< 20 Rastschritte/s, Impulsabstand > 50 ms) ist das Risiko eines verlorenen Impulses praktisch null.

Ergebnis: Bit-Bang via Adafruit NeoPixel reicht für 20 LEDs vollständig aus, belegt keinen SERCOM und keinen zusätzlichen RAM.

**Warum keine Adafruit-Animationsfunktionen?**

Die Adafruit-NeoPixel-Library stellt ausschließlich den LED-Treiber bereit (`setPixelColor`, `show`, `fill`, `clear`). Animations-Logik (Blinken, Pulsieren, Farbverläufe) ist nicht enthalten und muss in jedem Fall selbst implementiert werden. Darüber hinaus:

- `Adafruit_NeoPixel::ColorHSV()` verwendet intern float-Operationen für die HSV→RGB-Konvertierung. Der Cortex-M0+ hat keine FPU; float wird per Software emuliert (~10–20× langsamer). `hue_to_rgb()` in `CButton.cpp` erreicht dasselbe Ergebnis mit reiner Integer-Arithmetik (6 lineare Segmente à 43 Hue-Einheiten).
- Das 2-Schicht-Modell (base + override) und die dirty-Flag-gesteuerte Render-Pipeline sind projektspezifische Logik ohne Entsprechung in der Library.

**Idle-Zustand:** Alle 20 MX-LEDs zeigen einen rotierenden Regenbogen (`COLOR_CYCLE`, 4 s/Runde, 40 % Helligkeit, gleichmäßig phasenverschoben).

### Serial-Protokoll (8 Bytes, fixed)

```
Byte 0: Command/Event-ID
Byte 1: key_id (Button 0–24 oder Encoder 0–3)
Byte 2: r / Daten-Byte A
Byte 3: g / Daten-Byte B
Byte 4: b
Byte 5–7: reserviert (0x00)
```

| ID | Richtung | Bedeutung |
|---|---|---|
| 0x01 | PC→Board | LED-Override setzen |
| 0x02 | PC→Board | LED-Override löschen |
| 0x03 | PC→Board | LED-Base setzen |
| 0x05 | PC→Board | Ping |
| 0x10 | PC→Board | Config-Begin (Chunks-Anzahl) |
| 0x11 | PC→Board | Config-Data (Chunk-Index + 6B Nutzdaten) |
| 0x12 | PC→Board | Config-Commit (CRC prüfen + NVM schreiben) |
| 0x13 | PC→Board | Config-Read (Board sendet NVM-Config zurück) |
| 0x81 | Board→PC | KEY_DOWN |
| 0x82 | Board→PC | KEY_UP |
| 0x83 | Board→PC | ENC_CW |
| 0x84 | Board→PC | ENC_CCW |
| 0x85 | Board→PC | Pong |
| 0x90 | Board→PC | Config-ACK |
| 0x91 | Board→PC | Config-NACK |
| 0x20 | PC→Board | Makro-Begin (Chunk-Anzahl = 43) |
| 0x21 | PC→Board | Makro-Data (Chunk-Index + 6B Nutzdaten) |
| 0x22 | PC→Board | Makro-Commit (in NVM schreiben) |
| 0x23 | PC→Board | Makro-Read (Board sendet Tabelle zurück) |
| 0x90 | Board→PC | Config-ACK |
| 0x91 | Board→PC | Config-NACK (CRC/Magic/Version ungültig) |
| 0x92 | Board→PC | Config-Begin (Dump-Start, Chunks-Anzahl) |
| 0x93 | Board→PC | Config-Data (Chunk-Index + 6B) |
| 0x94 | Board→PC | Config-End |
| 0x95 | Board→PC | Makro-ACK |
| 0x96 | Board→PC | Makro-Begin (Dump-Start) |
| 0x97 | Board→PC | Makro-Data (Chunk-Index + 6B) |
| 0x98 | Board→PC | Makro-End |

### NVM-Config-Layout (Version 2, 223 Bytes, packed)

```
Offset   0   4B  Magic   0x56503202
Offset   4   1B  Version 2
Offset   5   2B  CRC16-CCITT (über Bytes 7–222)
Offset   7  60B  mx_actions[20]     – je 3B: type(1B) + data(2B)
Offset  67  36B  enc_actions[4][3]  – je 3B
Offset 103  20B  led_r[20]
Offset 123  20B  led_g[20]
Offset 143  20B  led_b[20]
Offset 163  20B  led_anim[20]       – LEDAnim-Typ (uint8_t)
Offset 183  40B  led_period_ms[20]  – Animationsperiode in ms (uint16_t, LE)
```

**NVM Row 0** (0x1FE00, 256 Byte): Config (223B genutzt, 33B Padding)
**NVM Row 1** (0x1FF00, 256 Byte): Makro-Tabelle (32 Slots × 4 Steps × 2B)
Via Linkerscript reserviert. Bei ungültigem Magic/Version/CRC werden Defaults geladen.

## Bekannte Fallstricke

| Problem | Lösung |
|---|---|
| Kaltstart hängt (XOSC32KRDY) | `-DCRYSTALLESS` in build_flags pflicht |
| Adafruit NeoPixel ZeroDMA inkompatibel | Standard bit-bang Library verwenden |
| WS2812 Pegel 3.3V statt 5V | LED 0 marginal OK, ab LED 1 selbst-regenerierend. Fix nächste PCB-Rev: Level-Shifter |
| `ws2812_show()` blockiert ~600 µs | Dirty-Flag-Pattern: nur aufrufen wenn nötig, nie aus ISR |
| SAction muss `__attribute__((packed))` haben | Ohne packed: 4B statt 3B → CRC-Mismatch beim Config-Laden |
| Windows HID-Descriptor-Cache | Bei PID-Änderung Board neu einstecken |