Программирование stm32. Начинаем изучать STM32 или Управляем светом по-умному


Курс поможет овладеть навыками программирования микроконтроллеров с нуля. В качестве примера для работы взята отладочная плата STM32F3Discovery с установленным микроконтроллером STM32F303VCT6 .

Мы установим программные инструменты для работы с этой отладочной платой, познакомимся с портами ввода-вывода, таймерами-счетчиками и другими периферийными модулями и научимся их использовать.

Урок 1: Введение

Введение в программирование микроконтроллеров. Выбор аппаратных средств. Первое знакомство с отладочной платой.

Урок 2: Установка IAR

Знакомство с фирмой-производителем ST Microelectronics. Установка программной среды разработки IAR.

Урок 3: Дополнительные инструменты

Установка программы-конфигуратора STM32Cube. Установка программы работы с памятью ST Visual Programmer.

Урок 4: Создание проекта

Создание конфигурации проекта в STM32Cube и генерация проекта для IAR Embedded Workbench.

Урок 5. FLASH-память

Урок 6. Порты ввода-вывода

Понятие портов и линий ввода-вывода. Загрузка программы в отладочную плату средствами среды разработки IAR. Включение светодиодов на плате.

Урок 7. Светодиоды и кнопка

Реализация «бегущего огня», а также переключения светодиодов по кнопке.

Урок 8. Сохранение данных

Сохранение энергонезависимых данных во FLASH-память микроконтроллера на примере запоминания светодиода, на котором закончилось переключение бегущего огня перед отключением питания

Урок 9. Таймеры-счетчики

Использование периферийного модуля таймера-счетчика для формирования задержки.

Урок 10. Прерывания

Использование прерывания по переполнению таймера-счетчика TIM6 для реализации задержки.

Урок 11. Внешние прерывания

Использование различных прерываний и их приоритетов.

Урок 12. Тактирование

Задание тактовой частоты ядра и периферийных модулей.

Урок 13. Широтно-импульсная модуляция

Конфигурация и использование широтно-импульсной модуляции на каналах таймера TIM1 с различной частотой.

Урок 14. Сторожевой таймер

Использование независимого и системного сторожевого таймера. Использование регистра окна.

Урок 15. Аналого-цифровой преобразователь

Использование аналого-цифрового преобразователя и внутреннего датчика температуры.

Урок 16. Основные и дополнительные каналы АЦП

Использование нескольких каналов единого модуля АЦП.

Урок 17. Прямой доступ к памяти

Использование прямого доступа к памяти для получения результатов аналого-цифрового преобразования.

Урок 18. Дискретизация

Использование таймера для синхронизации запусков АЦП с сохранением результатов через прямой доступ к памяти.

Урок 19. Цифро-аналоговый преобразователь

Использование цифро-аналогового преобразователя для генерации треугольного сигнала, сигнала шума или постоянного аналогового значения.

Урок 20. Пользовательский сигнал

Использование цифро-аналогового преобразователя для генерации сигнала произвольной формы.

Опубліковано 09.08.2016

Микроконтроллеры STM32 приобретают все большую популярность благодаря своей мощности, достаточно разнородной периферии, и своей гибкости. Мы начнем изучать , используя бюджетную тестовую плату, стоимость которой не превышает 2 $ (у китайцев). Еще нам понадобится ST-Link программатор, стоимость которого около 2.5 $ (у китайцев). Такие суммы расходов доступны и студентам и школьникам, поэтому именно с такого бюджетного варианта я и предлагаю начать.


Этот микроконтроллер не является самым мощным среди STM32 , но и не самый слабый. Существуют различные платы с STM32 , в томе числе Discovery которые по цене стоят около 20 $. На таких платах почти все то же, что и на нашей плате, плюс программатор. В нашем случае мы будем использовать программатор отдельно.

Микроконтроллер STM32F103C8. Характеристики

  • Ядро ARM 32-bit Cortex-M3
  • Максимальная частота 72МГц
  • 64Кб Флеш память для программ
  • 20Кб SRAM памяти
  • Питание 2.0 … 3.3В
  • 2 x 12-біт АЦП (0 … 3.6В)
  • DMA контролер
  • 37 входов / выходов толерантных к 5В
  • 4 16-розрядних таймера
  • 2 watchdog таймера
  • I2C – 2 шины
  • USART – 3 шины
  • SPI – 2 шины
  • USB 2.0 full-speed interface
  • RTC – встроенные часы

На плате STM32F103C8 доступны

  • Выводи портов A0-A12 , B0-B1 , B3-B15 , C13-C15
  • Micro-USB через который можно питать плату. На плате присутствует стабилизатор напряжения на 3.3В. Питание 3.3В или 5В можно подавать на соответствующие выводы на плате.
  • Кнопка Reset
  • Две перемычки BOOT0 и BOOT1 . Будем использовать во время прошивки через UART .
  • Два кварца 8Мгц и 32768 Гц. У микроконтроллера есть множитель частоты, поэтому на кварце 8 МГц мы сможем достичь максимальной частоты контроллера 72Мгц.
  • Два светодиода. PWR – сигнализирует о подачи питания. PC13 – подключен к выходу C13 .
  • Коннектор для программатора ST-Link .

Итак, начнем с того, что попробуем прошить микроконтроллер. Это можно сделать с помощью через USART, или с помощью программатора ST-Link .

Скачать тестовый файл для прошивки можно . Программа мигает светодиодом на плате.

Прошивка STM32 с помощью USB-Uart переходника под Windows

В системной памяти STM32 есть Bootloader . Bootloader записан на этапе производстве и любой микроконтроллер STM32 можно запрограммировать через интерфейс USART с помощью USART-USB переходника. Такие переходники чаще всего изготавливают на базе популярной микросхем FT232RL . Прежде всего подключим переходник к компьютеру и установим драйвера (если требуется). Скачать драйвера можно с сайта производителя FT232RL – ftdichip.com . Надо качать драйвера VCP (virtual com port). После установки драйверов в компьютере должен появиться виртуальный последовательный порт.


Подключаем RX и TX выходы к соответствующим выводам USART1 микроконтроллера. RX переходника подключаем к TX микроконтроллера (A9). TX переходника подключаем к RX микроконтроллера (A10). Поскольку USART-USB имеет выходы питания 3.3В подадим питания на плату от него.

Чтобы перевести микроконтроллер в режим программирования, надо установить выводы BOOT0 и BOOT1 в нужное состояние и перезагрузить его кнопкой Reset или выключить и включить питание микроконтроллера. Для этого у нас есть перемычки. Различные комбинации загоняют микроконтроллер в различные режимы. Нас интересует только один режим. Для этого у микроконтроллера на выводе BOOT0 должно быть логическая единица, а на выводе BOOT1 – логический ноль. На плате это следующее положение перемычек:

После нажатия кнопки Reset или отключения и подключения питания, микроконтроллер должен перейти в режим программирования.

Программное обеспечение для прошивки

Если используем USB-UART переходник, имя порта буде примерно такое /dev/ttyUSB0

Получить информацию о чипе

Результат:

Читаем с чипа в файл dump.bin

sudo stm32flash -r dump.bin /dev/ttyUSB0

Пишем в чип

sudo stm32flash -w dump.bin -v -g 0x0 /dev/ttyUSB0

Результат:

Stm32flash 0.4 http://stm32flash.googlecode.com/ Using Parser: Raw BINARY Interface serial_posix: 57600 8E1 Version: 0x22 Option 1: 0x00 Option 2: 0x00 Device ID: 0x0410 (Medium-density) - RAM: 20KiB (512b reserved by bootloader) - Flash: 128KiB (sector size: 4x1024) - Option RAM: 16b - System RAM: 2KiB Write to memory Erasing memory Wrote and verified address 0x08012900 (100.00%) Done. Starting execution at address 0x08000000... done.

Прошивка STM32 с помощью ST-Link программатора под Windows

При использовании программатора ST-Link выводы BOOT0 и BOOT1 не используются и должны стоять в стандартном положении для нормальной работы контроллера.

(Книжка на русском языке)

Маркировка STM32

Device family Product type Device subfamily Pin count Flash memory size Package Temperature range
STM32 =
ARM-based 32-bit microcontroller 		F = General-purpose
L = Ultra-low-power
TS = TouchScreen
W = wireless system-on-chip 		60 = multitouch resistive
103 = performance line 		F = 20 pins
G = 28 pins
K = 32 pins
T = 36 pins
H = 40 pins
C = 48/49 pins
R = 64 pins
O = 90 pins
V = 100 pins
Z = 144 pins
I = 176 pins
B = 208 pins
N = 216 pins 		4 = 16 Kbytes of Flash memory
6 = 32 Kbytes of Flash memory
8 = 64 Kbytes of Flash memory
B = 128 Kbytes of Flash memory
Z = 192 Kbytes of Flash memory
C = 256 Kbytes of Flash memory
D = 384 Kbytes of Flash memory
E = 512 Kbytes of Flash memory
F = 768 Kbytes of Flash memory
G = 1024 Kbytes of Flash memory
I = 2048 Kbytes of Flash memory 		H = UFBGA
N = TFBGA
P = TSSOP
T = LQFP
U = V/UFQFPN
Y = WLCSP 		6 = Industrial temperature range, –40…+85 °C.
7 = Industrial temperature range, -40…+ 105 °C.
STM32 F 103 C 8 T 6

Как снять защиту от записи / чтения?

Если вы получили плату с STM32F103, а программатор ее не видит, это означает, что китайцы защитили Флеш память микроконтроллера. Вопрос “зачем?” оставим без внимания. Чтобы снять блокировку, подключим UART переходник, будем программировать через него. Выставляем перемычки для программирования и поехали:

Я это буду делать из под Ubuntu с помощью утилиты stm32flash.

1. Проверяем видно ли микроконтроллер:

Sudo stm32flash /dev/ttyUSB0

Должны получить что-то такое:

Stm32flash 0.4 http://stm32flash.googlecode.com/ Interface serial_posix: 57600 8E1 Version: 0x22 Option 1: 0x00 Option 2: 0x00 Device ID: 0x0410 (Medium-density) - RAM: 20KiB (512b reserved by bootloader) - Flash: 128KiB (sector size: 4x1024) - Option RAM: 16b - System RAM: 2KiB

2. Снимаем защиту от чтения а затем от записи:

Sudo stm32flash -k /dev/ttyUSB0 stm32flash 0.4 http://stm32flash.googlecode.com/ Interface serial_posix: 57600 8E1 Version: 0x22 Option 1: 0x00 Option 2: 0x00 Device ID: 0x0410 (Medium-density) - RAM: 20KiB (512b reserved by bootloader) - Flash: 128KiB (sector size: 4x1024) - Option RAM: 16b - System RAM: 2KiB Read-UnProtecting flash Done. sudo stm32flash -u /dev/ttyUSB0 stm32flash 0.4 http://stm32flash.googlecode.com/ Interface serial_posix: 57600 8E1 Version: 0x22 Option 1: 0x00 Option 2: 0x00 Device ID: 0x0410 (Medium-density) - RAM: 20KiB (512b reserved by bootloader) - Flash: 128KiB (sector size: 4x1024) - Option RAM: 16b - System RAM: 2KiB Write-unprotecting flash Done.

Теперь можно нормально работать с микроконтроллером.

Вводная статья курса уроков по программированию микроконтроллеров STM32.

Этой статьей начинаю цикл уроков, посвященных программированию микроконтроллеров STM32.

Тема очень интересная, по популярности может превзойти ”Уроки Ардуино”. В принципе, это в какой-то степени продолжение или расширение ” ”. По крайней мере, я собираюсь постоянно ссылаться на статьи из этой рубрики, проводить аналогию между ними и уроками STM32.

Я не призываю бросать программировать на Ардуино и переходить только на STM32. Но есть задачи, которые на Ардуино выполнить невозможно или намного сложнее. Да и разве плохо уметь создавать системы, устройства на обоих типах микроконтроллеров.

Язык программирования в принципе один и тот же. Тем более одинаковы аппаратные компоненты, подключаемые к контроллеру: кнопки, светодиоды, дисплеи, модули проводных и беспроводных технологий связи и т.п.

Много информации уже есть на сайте. Например, зачем мне заново рассказывать про технологию клиент-сервер, если в рубрике ”Уроки Ардуино” есть статья об этом.

Контроллеры STM32 значительно превосходят по техническим характеристикам платы Ардуино на 8 разрядных микроконтроллерах ATmega328, ATmega2560 и т.п. У них более высокая производительность, больше объем памяти, периферийные устройства разнообразнее по функциям, номенклатуре, количеству. STM32 позволяют реализовывать значительно более сложные задачи, чем платы Ардуино.

Несмотря на вышесказанное я считаю, что программировать STM32 не сложнее, чем Ардуино. По крайней мере, я собираюсь так преподнести материал. Хотя объем информации будет больше.

Уроки рассчитаны как на опытных программистов, изучающих STM32, так и на людей, делающих первые шаги в программировании. Т.е. я собираюсь приводить строгую информацию и сопровождать ее подробными пояснениями. Для второй категории читателей я буду давать ссылки на аналогичные темы в ”Уроках Ардуино”. Не хочется одно и то же ”разжевывать” несколько раз.

Буду преподносить оптимальный с моей точки зрения подход к программированию STM32. Кто-то может с ним не согласиться.

Итак. Я ставлю цель:

  • научить вас практическому программированию микроконтроллеров STM32;
  • расширить ваши знания в области программирования на языке C++, конечно у кого их не хватает;
  • представить строгую техническую информацию о контроллерах STM32 на русском языке;
  • какая-то часть уроков будет посвящена аппаратной части, подключаемой к микроконтроллеру.

Общие сведения о микроконтроллерах семейства STM32.

Возможности контроллеров STM32 потрясают! По крайней мере, меня.

Плата с микроконтроллером STM32F103C8T6 по стоимости сопоставима с ценой плат Ардуино на базе ATmega328 и значительно дешевле плат типа Arduino Mega2560.

По она стоит всего 175 руб.

Но по техническим характеристикам! Что стоит только сравнение разрядности обрабатываемых данных. 32 против 8!

У меня ощущение, что я сравниваю Ардуино не с маленькой дешевой платой, а с дорогим монстрообразным 32 разрядным контроллером. Судите сами.

Параметры STM32F103C8T6 Arduino Nano
Разрядность 32 бит 8 бит
Частота 72 мГц 16 мГц
Объем FLASH 64 кБайт 32 кБайт
Объем ОЗУ 20 кБайт 2 кБайт
Число выводов 37 22
Аппаратное умножение и деление Есть, 32 разряда Только умножение, 8 разрядов
АЦП 2 АЦП, 12 разрядов, 10 входов, 1 мкс время преобразования 10 разрядов, 8 входов, 100 мкс время преобразования
Контроллеры прямого доступа к памяти 7 каналов нет
Таймеры 7 3
UART 3 (выше скорость, больше режимов) 1
I2C 2 1
SPI 2 1
USB 1 нет
CAN 1 нет
Часы реального времени есть нет
Модуль аппаратного расчета CRC кода есть нет

К этому можно бесконечно добавлять с приставкой ”гораздо более мощные, совершенные, функциональные”: система прерываний, порты ввода-вывода, коммуникационные интерфейсы и т.п.

И это еще далеко не самый мощный вариант STM32. У меня есть плата STM32F407VET6 с частотой 210 мГц и АЦП со скоростью преобразования до 7,2 миллионов выборок в секунду. Собираюсь на ней сделать динамическую подсветку телевизора, т.е. обрабатывать видеосигнал.

Техническая документация.

Данная статья, которая является еще одним "быстрым стартом" в освоении ARM-контроллеров, возможно поможет сделать первые шаги в освоении 32-битных контроллеров ARM на базе ядра Cortex-M3 - STM32F1xxx серии. Возможно данная статья (которых на эту тему появляется как грибов после дождя) станет для кого-то полезной.

Введение

Почему ARM?
1. Есть из чего выбрать (разными производителями сегодня выпускается более 240 ARM-контроллеров)
2. Низкая цена (например за 1$ можно получить 37хI / O, 16K Flash, 4K RAM, 2xUART, 10x12bitADC, 6x16bitPWM).

А начнем нашу работу с контроллеров фирмы ST Microelectronics. Контроллеры на основе ядра ARM Cortex-M3 характеризуются широким набором периферии, высоким уровнем рабочих характеристик, низкой цене
P.S. В самом начале создается впечатление, что ARM"ы это какие-то страшные (в пайке, разводке, программировании) существа. Но это только на первый взгляд:) и вы в этом сами убедитесь.

Итак, изучать ARMы будем на примере контроллеров STM32F1. Одновременно эта серия имеет несколько линеек:

  • Value line STM32F100 - 24 МГц CPU, motor control, CEC.
  • Access line STM32F101 - 36 МГц CPU, до 1 Mб Flash
  • USB access line STM32F102 - 48 МГц CPU with USB FS
  • Performance line STM32F103 - 72 МГц, до 1 Mб Flash, motor control, USB, CAN
  • Connectivity line STM32F105/107 - 72 МГц CPU, Ethernet MAC, CAN, USB 2.0 OTG

Также существует следующая классификация:

Контроллеры STM32 можно заставить загружаться с 3-х областей памяти (в зависимости от состояния ножек BOOT0 и BOOT1 при старте контроллера или после его сброса). Записать программу в память контроллера можно следующими способами:

1 способ:
Используя загрузчик (он уже записан в системную память) и USART1 (USART2 remaped): использует внутренний тактовый сигнал 8 МГц. Чтобы запустить встроенный загрузчик, зашитый в контроллер производителем, достаточно просто бросить на лапки контроллера TX1, RX1 сигнал с преобразователя RS232-3.3В (например на базе FT232RL) и выставить перед этим BOOT0 = 1 и BOOT1 = 0 жмем RESET и можем шить программу в контроллер. А зашивается она в программе Flash Loader Demonstartor от STM (для Windows).

PS. Если вы сидите под LINUX и не имеете отладочной платы типа дискавери, можно заливать прошивку в контроллер через всеми любимый rs-232 (собственно - через преобразователь rs-232-3,3В). Для этого нужно использовать python-скрипт (Ivan A-R) (для LINUX или MACOSX).
Для начала у вас должен быть установлен Python 2.6 версии и библиотека для работы с последовательным портом - PySerial library.
Теперь, чтобы запустить скрипт stmloader.py (из терминала, разумеется) нужно его немного подправить под свой компьютер: откроем его в текстовом редакторе.
Набираем в командной строке
~$ dmesg | grep tty
чтобы увидеть все последовательные порты ПК.
и после набора...
~$ setserial -g /dev/ttyS
мы узнаем путь к нашему 232-му порту. Если система ругается на setserial, установим его
~$ sudo apt-get install setserial
мы узнаем путь к нашему физическому порту (например, у меня - /dev/ttyS0). Теперь нужно записать этот путь в файл скрипта stm32loader.py вместо дефолтного «/dev/tty.usbserial-...». Набираем в терминале
~$ python stm32loader.py -h
...для вызова справки и заливаем прошивку в наш контроллер.

2 способ:
Через USB OTG, используя DFU-режим, требует внешнего кварца на 8 МГц, 14.7456 МГц или 25 МГц (этот загрузчик есть не у всех контроллерах с USB OTG надо внимательно смотреть на маркировку вашего контроллера)

3 способ:
JTAG/SWD. Ну и для тех, кто имеет демоплату типа Discovery или самопальный JTAG/SWD программатор, можно заливать код и уже отлаживать свой микроконтроллер этим способом. Для JTAG в микроконтроллере отведено 6 лапок (TRST, TDI, TMS, TCK, TDO, RST) + 2 на питание. SWD использует 4 сигнала (SWDIO, SWCLK SWO, RESET) и 2 на питание.

PS. В среде EAGLE я набросал несколько схем-заготовок для 48-ми, 64-х и 100-ногих контроллеров (папка eagle), а stm32loader содержит скрипт stm32loader.py

Данная статья является первой в планируемом цикле статей по изучению программирования микроконтроллеров. Изучая различные материалы я отметил, что практически все они начинаются с того, что новичку предлагается скачать (или использовать идущую со средой разработки) библиотеку для работы с периферийными устройствами и использовать ее для написания своей первой программы (обычно мигание светодиодом).

Меня это сильно удивило. Если верить данным статьям, для программирования не обязательно даже читать документацию к программируемому контроллеру. Меня же учили премудростям «железного программирования» совершенно иначе.

В этой статье, путь от фразы «Да, я хочу попробовать!» до радостного подмигивания светодиода, будет значительно длиннее чем у других авторов. Я постараюсь раскрыть аспекты программирования микроконтроллеров, которые прячутся за использованием библиотечных функций и готовых примеров.
Если вы намерены серьезно изучать программирование микроконтроллеров данная статья для вас. Возможно, она может заинтересовать и тех, кто вдоволь наигрался с Arduino и хочет получить в свои руки все аппаратные возможности железа.

Выбор микроконтроллера

Многие могут сказать, что начинать изучение микроконтроллеров лучше с AVR, PIC, 8051 или чего-то еще. Вопрос многогранный и спорный. Я знаю достаточно примеров, когда люди изучив Cortex-M, программировали AVR, ARM7 и т.д. Сам же я начинал с Cortex-M3. Если перед вами стоит определенная задача, в интернете достаточно много информации со сравнением различных типов микроконтроллеров и решаемых с их помощью задач. На хабре этот вопрос тоже поднимался, например .

Будем считать, что с типом микроконтроллера мы разобрались. Но на рынке представлен огромнейший спектр различных модификаций от разных производителей. Они отличаются по множеству параметров - от размера флеш памяти до количества аналоговых входов. Для каждой задачи выбор стоит производить индивидуально. Ни каких общих рекомендаций тут нет и быть не может. Отмечу лишь, что стоит начинать изучение с МК производителей имеющих как можно больший ассортимент. Тогда, при выборе МК для определенной задачи достаточно велик шанс, что из представленного ассортимента вам что-нибудь да подойдет.

Я остановил свой выбор на STM32 (хотя и считаю, что лучше начинать изучение с МК от TexasInstruments - очень грамотно составлена документация), потому что они широко распространены среди российских разработчиков электроники. При возникновении проблем и вопросов вы сможете без труда найти решения на форумах. Еще одним плюсом является богатый выбор демонстрационных плат как от производителя, так и от сторонних организаций.

Что необходимо для изучения?

К сожалению, для начала программирования МК не достаточно одного лишь ПК. Придется где-то раздобыть демонстрационную плату и программатор. Хотя это и уменьшает конкуренцию на рынке труда.

Сам я использую демонстрационную плату STM3220G-EVAL и программатор J-Link PRO . Но для начала, будет вполне достаточно STM32F4DISCOVERY , которую можно купить без особых проблем за небольшую сумму.

Все примеры будут именно для отладочной платы STM32F4DISCOVERY . На данном этапе нам будет совершенно не важно, что этой плате стоит МК на базе ядра Cortex-M4. В ближайшее время мы не будем использовать его особенности и преимущества над Cortex-M3. А как там будет дальше - посмотрим.

Если у вас есть в наличии любая другая плата на базе STM32F2xx/STM32F4xx, вы сможете работать с ней. В изложении материала я постараюсь максимально подробно описывать почему мы делаем именно так, а не иначе. Надеюсь ни у кого не возникнет проблем с переносом примеров на другое железо.

Среда разработки

Как уже неоднократно упоминалось, для ARM микроконтроллеров существует достаточное количество сред разработки, как платных так и не очень. И снова хочется опустить полемику по этому поводу. Я использую IAR Embedded Workbench for ARM 6.60 . Все примеры будут именно в этой среде. Если вам по душе (или в вашей организации используется) что-то другое (Keil, Eclipse, CCS, CooCoc и т.д.) то это вам тоже не очень помешает. На особенности, связанные именно со средой разработки, я буду обращать отдельное внимание.

Почему платная среда разработки?

Возможно, кто-то будет не совсем доволен тем, что я предлагаю использовать платную среду разработки, но в IAR есть возможность получить временную лицензию без ограничения функционала, либо безлимитную лицензию с ограничением по размеру кода (32КБ для МК это очень много).
Помимо этого, сразу замечу, что для некоторых МК не существует бесплатных сред разработки. И к сожалению эти МК в некоторых областях незаменимы.


Процесс установки я описывать не буду.

С чего начать?

Создание проекта
Для начала создадим пустой проект. IAR позволяет создать проекты на ASM, C и C++. Мы будем использовать C.

Перед нами появится пустой проект с main файлом.

Теперь необходимо настроить проект для начала работы с «нашим» МК и отладчиком. На плате STM32F4DISCOVERY установлен MK STM32F407VG . Его необходимо выбрать в свойствах проекта (General Options->Target->Device):

При выборе целевого программируемого процессора происходит загрузка его описания, что дает широкие возможности для отладки (об этом будет идти речь ниже). Кроме того, автоматически присоединяется конфигурационный файл с описанием доступного адресного пространства для линкера. Если будет необходимо, мы затронем тему конфигурационного файла линкера в следующих статьях.

После этого необходимо настроить отладчик. Отладка программы происходит непосредственно «в железе». Производится это с помощью JTAG отладчика. Более подробнее ознакомиться с тем, как это происходит можно на Википедии . На плату STM32F4DISCOVERY интегрирован отладчик ST-LINK/V2. Для работы с отладчиком необходимо выбрать его драйвер в меню Debugger->Setup->Driver . Так же необходимо указать, что отладка должна производиться непосредственно в железе. Для этого необходимо поставить флаг Debugger->Download->Use flash loader(s)


Для тех, кто увидел слово Simulator

Теоретически, IAR позволяет отлаживать программы с использованием симулятора. Но я ни разу на практике не встречал его использования.

Теперь проект готов для работы (программирования, заливки и отладки).

«ТЗ» для первого проекта
Подведем промежуточный итог: МК и отладочная плата выбраны, проект подготовлен. Пора определиться с задачей.

Не будем отходить от классики. Первым проектом будет мигающий светодиод. Благо на плате их предостаточно.Что же это означает с точки зрения программирования? Первым делом необходимо изучить принципиальную схему демонстрационной платы и понять как «заводится» светодиод.
доступен на сайте производителя. В данном описании даже есть отдельный раздел про светодиоды на плате -4.4 LEDs . Для примера, будем использовать User LD3 . Найдем его на схеме:

Простейший анализ схемы говорит о том, что для того, что бы «зажечь» светодиод необходимо на пин МК подать «1» (которая для данного МК соответствует 3.3В). Выключение производится подачей на этот пин «0». На схеме этот пин обозначается PD13 (это, наверное, самая важная информация из этого документа).

В итоге, мы можем написать «ТЗ» для нашей первой программы:
Программа для МК должна переводить состояние пина МК PD13 из состояния «0» в состояние «1» и обратно с некоторой периодичностью, различимой для человеческого глаза (важное замечание, если моргать светодиодом слишком часто глаз может этого не различить).

Прежде чем приступать к программированию, или немного теории
Прежде чем приступить к реализации нашего ТЗ, необходимо понять как производится управление МК.

Начнем с того, что любой МК включает ядро, память и периферийные блоки. Думаю, что с памятью пока все понятно. Упомяну лишь, в STM32 есть флеш память в которой хранится программа МК (в общем случае это не верное утверждение, программа может храниться во внешней энергонезависимой памяти, но пока это опустим) и другие данные, в том числе и пользовательские. Так же есть SRAM - оперативная память.

Ядро - часть микроконтроллера, осуществляющая выполнение одного потока команд. В нашем МК тип ядра - Cortex-M4. Ядро МК можно сравнить с процессором в ПК. Оно умеет только выполнять команды и передавать данные другим блокам (в этом сравнении не учитываются процессоры с интегрированными графическими ускорителями).
При этом производитель МК не разрабатывает ядро. Ядро покупается у компании ARM Limited . Главное отличие между различными МК - в периферии.

Периферийные блоки - блоки осуществляющие взаимодействие с «внешним миром» или выполняющие специфические функции, недоступные ядру МК. Современные МК (в том числе и STM32) содержат огромный спектр периферийных блоков. Периферийные блоки предназначены для решения различных задач, от считывания значения напряжения с аналогового входа МК до передачи данных внешним устройствам по шине SPI.
В отличии от ядра МК периферийные блоки не выполняют инструкции. Они лишь выполняют команды ядра. При этом участие ядра при выполнении команды не требуется.

Пример

В качестве примера можно привести блок UART, который предназначен для приема и передачи данных от МК внешним устройствам. От ядра необходимо лишь сконфигурировать блок и отдать ему данные для передачи. После этого ядро может дальше выполнять инструкции. На плечи же периферийного блока ложится управление соответствующим выводом МК для передачи данных в соответствии с протоколом. Периферийный блок сам переводит выход МК в необходимое состояние «0» или «1» в нужный момент времени, осуществляя передачу.

Взаимодействие ядра с периферийным блоком
Взаимодействие ядра МК с периферийным блоком осуществляется с помощью спецрегистров (есть еще взаимодействие через механизм прерываний и DMA, но об этом в следующих постах). С точки зрения ядра это просто участок памяти с определенным адресом, вот только на самом деле это не так . Запись данных в спецрегистр эквивалентна передаче команды или данных периферийному блоку. Считывание - получение данных от блока или считывание его состояния. Описание периферийных блоков и их спецрегистров занимает львиную долю описания МК.

ВАЖНО: После записи данных в спецрегистр и последующем чтении вы можете получить совершенно иные данные. Например, передача данных блоку UART для отправки, и считывание данных, полученных блоком от внешнего устройства, осуществляется с помощью одного и того же регистра.

Спецрегистры обычно разделены на битовые поля. Один (или несколько) бит управляют определенным параметром периферийного блока, обычно независимо. Например, разные биты одного регистра управляют состоянием разных выходов МК.

Вспоминаем С
Если вы гуру в языке C, то можете смело пропускать данный раздел. Он предназначен в первую очередь для тех, кого учили (или ктоучился сам) программировать для ПК. Опыт показывает, что люди часто не помнят важных команд. Здесь я вкратце напомню про побитовые операции и работу напрямую с памятью по ее адресу.

Запись данных по адресу в памяти

Предположим, что читая описание периферийного блока, мы поняли, что для его корректной работы необходимо записать в него число 0x3B. Адрес спецрегистра 0x60004012. Регистр 32-битный.
Если вы сразу не знаете как это сделать, попробую описать цепочку рассуждений для получения правильной команды.

Значение 0x60004012 есть не что иное, как значение указателя на ячейку памяти. Нужно именно это и указать в нашей программе, тоесть сделать преобразование типов согласно синтаксису языка C:

(unsigned long*)(0x60004012)

Таким образом, у нас есть указатель на элемент. Теперь нужно в этот элемент записать необходимое значение. Делается это разыменовыванием указателя. Таким образом получаем правильную команду:

*(unsigned long*)(0x60004012) = 0x3B;

Установка произвольных бит в 1

Предположим, что необходимо установить «1» в 7 и 1 биты по адресу 0x60004012, при этом не изменив значение всех остальных бит в регистре. Для этого необходимо использовать бинарную операцию |. Сразу приведу правильный ответ:

*(unsigned long*)(0x60004012) |= 0x82;

Обратите внимание на 2 факта. Биты считаются с нулевого, а не с первого. Данная операция на самом деле занимает неменее 3 тактов - считывание значения, модификация, запись. Иногда это не допустимо, поскольку между считыванием и записью значение одного из бит, которые нам запрещено изменять, могло быть изменено периферийным блоком. Незабывайте про эту особенность, иначе могут полезть баги, которые крайне сложно отловить.

Установка произвольных бит в 0

Предположим, что необходимо установить «0» в 7 и 1 биты по адресу 0x60004012, при этом не изменив значение всех остальных бит в регистре. Для этого необходимо использовать бинарную операцию &. Сразу приведу правильный ответ:

*(unsigned long*)(0x60004012) &= 0xFFFFFF7D;

Или его более простою запись (не переживайте за лишнюю операцию, компилятор все заранее посчитает даже при минимальной оптимизации):

*(unsigned long*)(0x60004012) &= (~0x82);

Некоторые особенности программ для МК
Здесь я постараюсь описать некоторые особенности программ для МК, которые важно помнить. Вещи достаточно очевидные, но все же.
У программы нет конца
В отличии от большинства программ для ПК, программа для МК не должна заканчиваться, НИКОГДА! А что собственно должен будет делать МК после завершения вашей программы? Вопрос, практически, риторический. Поэтому не забываем убедиться в том, что вы не забыли вечный цикл. При желании, можно перевести МК в режим сна.
Пользуйтесь целочисленными переменными
Не смотря на то, что мы используем МК с ядром Cortex-M4, который аппаратно выполняет операции над числами с плавающей точкой, советую вам отказаться от их использования. В МК без поддержки таких операций время вычислений будет просто огромным.
Откажитесь от динамического выделения памяти
Это только совет. Причина проста - памяти мало. Я не раз встречался с библиотеками, в которых были «медленные утечки» памяти. Было очень неприятно, когда после нескольких недель стабильной работы МК зависал с ошибкой. Лучше заранее продумать архитектуру своей программы так, чтобы не пришлось использовать динамическое выделение памяти.
Если же все-таки хочется использовать - внимательно изучите работу менеджера памяти или пишите свой.

Приступаем к работе!

Работа над программой для МК всегда начинается с чтения документации. Для нашего МК доступен на сайте производителя. Страниц много, но все читать пока не нужно. Как уже было сказано, большую часть документации составляет описание периферийных блоков и их регистров. Так же хочу обратить внимание на то, что этот Reference Manual написан не для одного МК, а для нескольких линеек. Это говорит о том, что код будет переносим при переходе на другие МК в этих линейках (если конечно не пытаться использовать периферийные блоки которых нет в используемом МК).

В первую очередь необходимо определиться с какими блоками предстоит работать. Для это достаточно изучит разделы Introduction и Main features .

Непосредственное управление состоянием пинов МК осуществляется с помощью блока GPIO. Как указано в документации в МК STM32 может быть до 11 независимых блоков GPIO. Различные периферийные блоки GPIO принято называть портами. Порты обозначаются буквам от A до K. Каждый порт может содержать до 16 пинов. Как мы отметили ранее, светодиод подключается к пину PD13. Это означает, что управление этим пином осуществляется периферийным блоком GPIO порт D. Номер пина 13.

Ни каких других периферийных блоков на это раз нам не понадобится.

Управление тактированием периферийных блоков
Для снижения электропотребления МК практически все периферийные блоки после включения МК отключены. Включение/выключение блока производится подачей/прекращением подачи тактового сигнала на его вход. Для корректной работы, необходимо сконфигурировать контроллер тактового сигнала МК, чтобы необходимому периферийному блоку поступал тактовый сигнал.
Важно: Периферийный блок не может начать работу сразу после включения тактового сигнала. Необходимо подождать несколько тактов пока он «запустится». Люди, использующие библиотеки для периферийных устройств, зачастую даже не знают об этой особенности.

За включение тактирования периферийных блоков отвечают регистры RCC XXX peripheral clock enable register .На месте XXX могут стоять шины AHB1, AHB2, AHB3, APB1 и APB2. После внимательного изучения описания соответствующих регистров, можно сделать вывод о том, тактирование периферийного блока GPIOD включается установкой «1» в третий бит регистра RCC AHB1 peripheral clock enable register (RCC_AHB1ENR) :

Теперь необходимо разобраться с тем, как узнать адрес самого регистра RCC_AHB1ENR .

Замечание: Описание системы тактирования МК STM32 достойно отдельной статьи. Если у читателей возникнет желание, я подробнее освещу этот раздел в одной из следующих статей.

Определение адресов спецрегистров
Определение адресов спецрегистров необходимо начинать с чтения раздела Memory map в Reference manual. Можно заметить, что каждому блоку выделен свой участок адресного пространства. Например, для блока RCC это участок 0x4002 3800 - 0x4002 3BFF:

Для получения адреса регистра, необходимо к начальному значению адресного пространства блока RCC прибавить Addr. offset нужного регистра. Addres offset указывается и в описании регистра (см. скриншот выше).

В итоге, мы определили адрес регистра RCC_AHB1ENR - 0x4002 3830.

Блок GPIO
Для общего ознакомления с блоком GPIO я настоятельно рекомендую полностью прочитать соответствующий раздел Reference Manual. Пока можно не особо обращать внимание на Alternate mode . Это оставим на потом.

Сейчас же наша задача научиться управлять состоянием пинов МК. Перейдем сразу к описанию регистров GPIO.

Режим работы
В первую очередь необходимо установить режим работы 13 пина порта D как General purpose output mode , что означает что блок GPIO будет управлять состоянием пина МК. Управление режимом работы пинов МК производитсяс помощью регистра GPIO port mode register (GPIOx_MODER) (x = A..I/J/K) :

Как видно из описания для совершения требуемой нам настройки необходимо записать значение 01b в 26-27 биты регистра GPIOx_MODER . Адрес регистра можно определить тем же методом, что описан выше.

Настройка параметров работы выходных пинов порта GPIO
Блок GPIO позволяет применить дополнительные настройки для выходных пинов порта. Данные настройки производятся в регистрах:
  • GPIO port output type register (GPIOx_OTYPER) - задается тип выхода push-pull или open-drain
  • GPIO port output speed register (GPIOx_OSPEEDR) - задается скорость работы выхода
Мы не будем менять данных параметров, поскольку нас вполне устраивают значения по умолчанию.
Установка значения на пине МК
Наконец-то мы подошли к моменту управления состоянием выхода МК. Для утановки выходного значения на определенном пине МК есть два метода.

Используем регистр GPIO port bit set/reset register (GPIOx_BSRR)

Запись «0» или «1» в биты 0-16 приводят к соответствующему изменению состояния пинов порта. Для того, чтобы установить определенное значение на выходе одного или нескольких пинов МК и не изменить состояния остальных, необходимо будет пользоваться операцией модификации отдельных бит. Такая операция выполняется не менее чем за 3 такта. Если же необходимо в часть битов записать 1, а в другие 0, то понадобится не менее 4 тактов. Данный метод предпочтительнее всего использовать для изменения состояния выхода на противоположное, если его изначальное состояние не известно.

GPIO port bit set/reset register (GPIOx_BSRR)

В отличии от предыдущего метода, запись 0 в любой из битов данного регистра не приведет ни к чему (да и вообще, все биты write-only!). Запись 1 в биты 0-15 приведет к установке «1» на соответствующем выходе МК. Запись 1 в биты 16-31 приведет к установке «0» на соответствующем выходе МК. Этот метод предпочтительнее предыдущего, если необходимо установить определенное значение на пине «МК», а не изменить его.

Зажигаем светодиод!
Найдя адреса всех необходимых регистров, можно написать программу, которая включает светодиод:
void main() { //Enable port D clocking *(unsigned long*)(0x40023830) |= 0x8; //little delay for GPIOD get ready volatile unsigned long i=0; i++; i++; i++; i=0; //Set PD13 as General purpose output *(unsigned long*)(0x40020C00) = (*(unsigned long*)(0x40020C00)& (~0x0C000000)) | (0x04000000); //Turn LED ON! *(unsigned long*)(0x40020C14) |= 0x2000; while(1); }
Можно компилировать (Project->Compile ) и заливать (Project->Download->Download active application ). Или запустить отладку (Project->Dpwnload and Debug ) и начать выполнение (F5).
Светодиод загорелся!
Мигаем светодиодом
Мигание светодиода есть ни что иное, как попеременное включение и выключение с задержкой между этими действиями. Самый простой способ - поместить включение и выключение в вечный цикл, а между ними вставить задержку.
void main() { //Enable port D clocking *(unsigned long*)(0x40023830) |= 0x8; //little delay for GPIOD get ready volatile unsigned long i=0; i++; i++; i++; i=0; //Set PD13 as General purpose output *(unsigned long*)(0x40020C00) = (*(unsigned long*)(0x40020C00)& (~0x0C000000)) | (0x04000000); while(1) { //Turn LED ON *(unsigned long*)(0x40020C14) |= 0x2000; //Delay for(i=0; i<1000000 ;++i); //Turn LED OFF *(unsigned long*)(0x40020C14) &= ~0x2000; //Delay for(i=0; i<1000000 ;++i); } }
Значение 1000000 в задержке подобрано экспериментально так, чтобы период мигания светодиода был различим глазом, но и не был слишком велик.
Оптимизируем алгоритм
Минусом выбранного подхода миганием светодиодом является то, что ядро МК большую часть времени проводит в пустых циклах, хотя мог бы заниматься чем-нибудь полезным (в нашем примере других задач нет, но в будущем они появятся).

Для того, чтобы этого избежать, обычно используется счетчик циклов, а переключение состояние пина МК происходит при прохождении программы определенного числа циклов.
void main() { //Enable port D clocking *(unsigned long*)(0x40023830) |= 0x8; //little delay for GPIOD get ready volatile unsigned long i=0; i++; i++; i++; i=0; //Set PD13 as General purpose output *(unsigned long*)(0x40020C00) = (*(unsigned long*)(0x40020C00)& (~0x0C000000)) | (0x04000000); while(1) { i++; if(!(i%2000000)) { //Turn LED ON *(unsigned long*)(0x40020С14) |= 0x2020; } else if(!(i%1000000)) { //Turn LED OFF *(unsigned long*)(0x40020С14) &= ~0x2000; } } }
Но и тут не обойдется без проблем, с изменением количества команд выполняемых внутри цикла, будет меняться период мигания светодиодом (или период выполнения других команд в цикле). Но на данном этапе мы не можем с этим бороться.

Немного об отладке
IAR позволяет осуществлять отладку приложения непосредственно в железе. Все выглядит практически так же, как и отладка приложения для ПК. Есть режим пошагового выполнения, входа в функцию, просмотр значения переменных (В режиме отладки View->Watch->Watch1/4 ).

Но помимо этого, присутствует возможность просмотра значений регистров ядра, спецрегистров периферийных блоков (View->Register) и т.п.
Я настоятельно рекомендую ознакомиться с возможностями дебаггера во время изучения программирования МК.

Несколько слов в заключение

Возможно, многие скажут, что ручное прописывание адресов в программе это не правильно, поскольку производитель предоставляет файлы с определениями регистров и битовых полей, библиотеки для работы с периферией и другие инструменты, облегчающие жизнь разработчику. Я с этим полностью согласен, но все равно считаю, что первые шаги в программировании МК необходимо делать перекапывая документацию к вручную, самостоятельно определяя необходимые регистры и битовые поля. В дальнейшем этим можно не пользоваться, но уметь нужно обязательно.
Приведу лишь несколько причин для этого утверждения:
  • В библиотеках от производителя иногда встречаются ошибки! Я один раз чуть не сорвал срок проекта из-за этого. Несколько раз перепаивал чип, думая, сто повредил кристалл при пайке (до этого такое случалось). А проблема заключалась в том, что в библиотеке был неверно прописан адрес спецрегистра. Обычно такое случается с МК или линейками МК только вышедшими на рынок.
  • Библиотеки для работы спериферией некоторых производителей не реализуют всех возможностей периферийных блоков. Особенно этим грешилb Luminary Micro , которых в последствии выкупили TI. Приходилось писать инициализацию периферии вручную.
  • Многие привыкают начинать программирование МК с изучения примеров. Я считаю, что сперва необходимо определиться с тем, что позволяет реализовать МК. Это можнопонять только прочитав документацию. Если чего-то нет в примерах, это не значит, что железоэто не поддерживает. Последний пример - аппаратная поддерка PTP STM32. В сети, конечно, можно кое-что найти, но это не входит в стандартный набор от производителя.
  • Драйверы периферийных блоков некоторых производителей настолько не оптимизированы, что на переключение состояния пина средствами библиотеки тратится до 20 тактов. Это непозволительная роскошь для некоторых задач.

Спасибо всем, кто прочитал мой пост, получилось значительно больше чем я ожидал в начале.
Жду ваших комментариев и аргументированной критики. Если у прочитавших возникнет желание - постараюсь продолжить цикл статей. Возможно у кого-то есть идеи по поводу тем, которые стоило бы осветить - я был бы рад их услышать.