ARM学习笔记-STM32

STM32
软件开发环境
官方标准固件库和软件包
CubeMx
RTOS
小结

物联网以及智能硬件领域的微控制器，ARM Cortex-M系列无疑是首选，刚好最近从朋友处拿到一块STM32F4系列的开发板（NUCLEO STM32F412ZGT6），学习一下。

STM32

STM32是意法半导体制作的基于自家设计的ARM Cortex-M内核处理器的评估开发板，提供了丰富的文档、开发工具以及开发示例，完善的社区支持，并且支持大量的扩展版，可以快速的构建产品原型，加快后续产品化。意法半导体还提供了stm32CubeMx软件，旨在最大化的减轻开发工作，通过此软件可以选择不同的处理器，解决引脚冲突，配置时钟树，设置外围外设，选择RTOS，选择中间件(USB/TCP/IP等)，生成面向IAR/KEIL/GCC的不同的软件工程。总之，最大化消除硬件平台差异化带来的改动，最大程度减轻构建软件工程的时间，让开发者更好的集中在自己产品的原型构建上。

软件开发环境

ARM的软件开发环境基本可以分为3种：

ARM自家的集成开发环境ARM MDK，收购KEIL之后推出
瑞典的国宝级软件IAR
GCC，开源的不二选择，可以linux命令行使用也可以结合Eclipse使用，桌面版集成开发环境请参考openSTM32/TrueSTUDIO

先来看一下ARM自家的MDK，目前国内用的最多，资料丰富；GCC在后面的ARM+Linux（或Android）会用到；IAR与openSTM32暂时先搁置一下，有时间再看，先看最典型的两种。

目前ARM MDK与IAR都不是免费的，国内使用大家按照默认规则就好了，Google或百度基本都能搞定，ARM MDK安装版本v5.23，操作系统需要Win7以上。

STM32开发板支持ST-Link/V2-1加载调试仿真，已经成为标配，只需要一根手机充电线（即USB线）连接开发板与PC，不需要再额外购买调试仿真器（其他常用的是JLINK和ULINK）。需要在PC上安装ST-Link/V2-1 USB驱动v1.01。使用ST-Link/V2-1还需要在ARM MDK中配置使用ST-Link，稍后调试使用时再详细介绍。

官方标准固件库和软件包

STM32F4系列的官方标准固件库可以从STM32中文官网下载v1.8.0。

解压缩标准固件开发包，可见目录结构：

_htmresc       
Libraries\  \\库文件，创建工程时用到
 |-CMSIS    \\ARM控制器软件接口标准文件
 |-STM32F4xx_StdPeriph_Driver  \\标准外设驱动，基于CMSIS
Projects\
 |-STM32F4xx_StdPeriph_Examples  \\标准固件例程
 |-STM32F4xx_StdPeriph_Templates  \\创建项目工程模板
Utilities\  \\例程中用到的一些工具资源
 |-Media
 |-ST
 |-STM32_EVAL
 |-Third_Party
MCD-ST***.pdf
Release_Notes.html
stm32fxx_dsp_stdperiph_lib_um.chm  //整个开发包说明文档

由于我们使用的工具是MDK，可以进入Projects\STM32F4xx_StdPeriph_Templates\

Projects\STM32F4xx_StdPeriph_Templates\
 |-EWARM\   \\IAR工程
 |-MDK-ARM\  \\MDK工程
 |-SW4STM32\  \\SW4STM32工程
 |-TrueSTUDIO\  \\TrueSTUDIO工程
 |-main.c
 |-main.h
 |-stm32f4xx_config.h
 |-stm32f4xx_it.c
 |-stm32f4xx_it.h
 |-system_stm32f4xx.c
 |-Release_Notes.html
 |-readme.txt  \\关键信息！！！

首先阅读readme.txt，里面都已经写得很详细了，先看“How to use it ?”，直接看MDK-ARM那段，是对如何使用MDK工程的说明，其他工具用到后再看：

+ MDK-ARM
 -Open the Template.uvprojx project
 -Rebuild all files: Project->Rebuild all target files
 -Load project image: Debug->Start/Stop Debug Session
 -Run program: Debug->Run (F5)

而Templates目录下的*.h和*.c文件即为标准固件包里的例程，即Projects\STM32F4xx_StdPeriph_Examples\下面关于各个模块的标准例程，将其copy到此Templates目录下，再使用相应的工程来编译加载调试运行。具体可以参看每个例程的readme.txt文件，都有如何使用此例程的详细说明。以Projects\STM32F4xx_StdPeriph_Examples\ADC\ADC_DMA\为例：

Projects\STM32F4xx_StdPeriph_Examples\ADC\ADC_DMA\
 |-main.c
 |-main.h
 |-stm32f4xx_config.h
 |-stm32f4xx_it.c
 |-stm32f4xx_it.h
 |-system_stm32f4xx.c

阅读readme.txt文件：

Example Description  \\关于此例程的总体说明
...
Directory contents  \\目录文件说明
 -system_stm32f4xx.c   STM32F4xx system clock configuration file
 -stm32f4xx_conf.h     Library Configuration file
 -stm32f4xx_it.c       Interrupt handlers
 -stm32f4xx_it.h       Interrupt handlers header file
 -main.c               Main program
 -main.h               Main program header file
How to use it ?  \\如何使用此例程，copy到模板目录中，还有额外的Utilities中的文件也要被用到
 In order to make the program work, you must do the following:
 -Copy all source files from this example folder to the template folder under Project\STM32F4xx_StdPeriph_Templates
 -Open your preferred toolchain
 -Select the project workspace related to the used device
  -If "STM32F40_41xxx" is selected as default project Add the following files in the project source list:
  -Utilities\STM32_EVAL\STM3240_41_G_EVAL\stm324xg_eval.c
  -Utilities\STM32_EVAL\STM3240_41_G_EVAL\stm324xg_eval_lcd.c
  -Utilities\STM32_EVAL\STM3240_41_G_EVAL\stm324xg_eval_fsmc_sram.c
  -Utilities\STM32_EVAL\STM3240_41_G_EVAL\stm324xg_eval_ioe.c
 -Rebuild all files and load your image into target memory
 -Run the example

readme.txt文件已经非常详细的说明了例程结合模板工程如何使用了，其他例程就都会用了，下面我们按照工程模板中的readme.txt说明，打开MDK工程并编译运行加载默认的例程。

双击MDK工程文件 Projects\STM32F4xx_StdPeriph_Templates\MDK-ARM\Project.uvprojx: 打开工程图片

从左侧Project栏里的目录结构看，CMSIS和MDK-ARM目录下的system_stm32f4xx.c和startup_stm32f412xg.s都是标准固件库STM32F4xx_DSP_StdPeriph_Lib_V1.8.0提供的，位于标准Libraries\CMSIS\Device\ST\STM32F4xx\Source\Templates目录下，是符合ARM CMSIS软件接口标准的，startup_stm32f412xg.s是ARM MDK环境下的启动文件，汇编语言编写，摘录一段：

Reset_Handler  PROC
    EXPORT  Reset_Handler  [WEAK]
  IMPORT  SystemInit
  IMPORT  __main

    LDR     R0, =SystemInit
    BLX     R0
    LDR     R0, =__main
    BX      R0
    ENDP

先执行SystemInit函数，SystemInit函数实现就在system_stm32f4xx.c里，初始化系统时钟/PLL/Flash接口等，然后再跳转到main函数。

SystemInit函数名的定义也是符合CMSIS软件接口标准的，另外在标准固件库里面Libraries\CMSIS\Device\ST\STM32F4xx\Include\还有2个头文件stm32f4xx.h和system_stm32f4xx.h，其中stm32f4xx.h是寄存器相关的定义，而system_stm32f4xx.h则是SystemInit函数的头文件。至此，符合CMSIS的两个*.c和两个*.h文件基本就清楚了，在任何一个工程里都少不了这几个文件，而且ARM提出了CMSIS标准，避免了各种基于ARM内核的CPU在软件定义时的混乱，最终目的还是减少嵌入式软件总是耗费精力在平台迁移带来的修改。

图中的Project目录栏里面的Doc目录很好理解，就是每个例程的readme.txt文件，User目录里面就是例程里面的源文件了，而Project目录栏里面的STM32F4xx_StdPeriph_Driver目录则是标准固件库里提供的STM32F4xx_DSP_StdPeriph_Lib_V1.8.0\Libraries\STM32F4xx_StdPeriph_Driver

我们以流水灯为示例做一个简单的测试，此开发板的3个led灯是由GPIO的PIN0/PIN7/PIN14来控制的，因此使用Template里面的默认GPIO工程，main.c里main函数添加如下代码：

/* GPIOB Peripheral clock enable */
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);
/* Configure PIN0/7/14 (led) */
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_7 | GPIO_Pin_14;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Low_Speed;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;  
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_7 | GPIO_Pin_14, Bit_RESET);


/* Infinite loop */
while (1)
{
  Delay(50);
  GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_7 | GPIO_Pin_14, Bit_SET);
  Delay(50);
  GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_7 | GPIO_Pin_14, Bit_RESET);
}

然后按照readme.txt文档里面的操作步骤，Rebuild all target files -> Start/Stop Debug Session -> Run 的过程，就可以看到3个不同颜色的led灯不停的闪烁了。需要注意在MDK的Options for Target里面Debug配置页配置调试器为ST-Link Debugger

至此，使用标准固件库的基本方法就比较清晰了，如果要学习stm32的某个模块，可以用这样的方式学习标准固件库里提供的Example了，这种方式非常贴近底层，对深入学习非常有帮助。

CubeMx

CubeMx软件是针对ST系列的MCU提供的图形化配置软件，其目的在于让开发工程师最大可能的减少在MCU底层软件的配置修改上，将精力集中于自己的业务上，从ST官方提供的资料看来，这也是其主推的一种方式。如果使用ST系列的MCU，这确实是一种比较好的使用方式，如果在一家芯片公司，使用的是ARM核的自家MCU，这种方式就无法使用了。

下载安装STM32CubeMx v4.19.0，还是以上面的标准固件库点亮3个led灯为示例，这次使用CubeMx软件生成MDK工程。

STM32CubeMx可参考官方使用说明文档，需要首先安装Java 1.7版本及以上，然后安装STM32CubeMx，安装完成后就可以打开使用了。首先安装相应的固件包，软件界面Help -> Install New Libraries，进入到下面的界面，选择STM32CubeF4 Releases，在这栏里面选择最新的版本安装，此固件包对应开发板STM32F4xx系列，后面通过STM32CubeMx定制工程软件时就会用到此固件包。安装stm32cubemxf4固件包

安装完成后，在STM32CubeMx主界面，点击New Project新建工程，看到下图所示，选择自己的开发板： stm32cubemx新建工程选择开发板

选好开发板后，就可以看到图形配置页面了： stm32cubemx工程配置页面

由于看原理图知道控制LED的3个GPIO管脚是PB0/PB7/PB14，因此可以直接在Pinout页面的芯片的图片的这3个管脚上直接选择成GPIO_Output，如下图所示： stm32cubemx的控制LED的GPIO配置

依次Clock Configuration Configuration Power Consumption Calculator 暂时维持原配置不变，点击Generate source code based on user settings按钮，生成ARM MDK V5的工程： stm32cubemx生成code配置

打开生成的工程，如下图：打开stm32cubemx生成的led闪烁工程

左侧工程栏与上面标准固件包工程非常相似，只是有些替换成了HAL层的文件名，HAL层是ST抽象出来的一层软件，确保在STM32各个产品之间实现最大限度的可移植性；main.c中的main函数可以看到初始化函数都写好了，而且注释可以看出添加用户代码的地方，在while(1)循环里添加循环点亮LED的代码：

/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
/* USER CODE END WHILE */

/* USER CODE BEGIN 3 */
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_14|GPIO_PIN_7, GPIO_PIN_SET);
  HAL_Delay(100);
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_14|GPIO_PIN_7, GPIO_PIN_RESET);
  HAL_Delay(100);
}
/* USER CODE END 3 */

与前面标准固件库示例类似，通过ARM MDK 5编译软件并下载到开发板，就可以看到3个LED等不停的闪烁。

RTOS

前面全部是直接在STM32上的firmware开发，现在复杂一些的应用全部是是要基于RTOS开发，而STM32CubeMx则选择FreeRTOS，并将FreeRTOS与USB/TCP/IP/图形等视为中间件，通过STM32CubeMx的图形化配置，可以选择支持哪个中间件，勾选后生成的工程中就自动包含了。配置rtos中间件

然后再点击生成MDK工程，生成工程时有个warning，提示rtos的Timebase Source不要使用systick，在Pinout页面的SYS项配置里将Timebase Source选择为任意其他的TIM，这样warning就不存在了。主要原因是systick被用作了他用，因此产生了冲突。打开生成的工程，可以看到源码目录增加了一个Middlewares/FreeRTOS，全部是移植好的FreeRTOS源码，通过main.c里的main函数可以看到，多了FreeRTOS的初始化代码，而且这些RTOS源码是符合ARM的CMSIS-RTOS标准的，便于其他中间件和应用的移植。打开添加了FreeRTOS的MDK工程

接下来还是以点亮LED为例，这次增加RTOS API的使用。创建2个task和1个MessageQueue，一个task接收消息，根据消息的value改变控制LED亮或者灭，另一个task周期性的发送消息改变LED状态。

在main.c里添加相应的代码，先把STM32CubeMx自动生成的代码里的创建defaultTask的示例代码去掉：

/* USER CODE BEGIN PV */
/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
osThreadId ledFlashRxTaskHandle;
osThreadId ledFlashTxTaskHandle;

osMessageQId ledFlashMsgQ;
/* USER CODE END PV */

...

int main(void)
{
  ...

  /* Create the thread(s) */
  /* definition and creation of defaultTask */
  //osThreadDef(defaultTask, StartDefaultTask, osPriorityNormal, 0, 128);
  //defaultTaskHandle = osThreadCreate(osThread(defaultTask), NULL);

  /* USER CODE BEGIN RTOS_THREADS */
  /* add threads, ... */
  osThreadDef(ledFlashRxTask, StartLedFlashRxTask, osPriorityNormal, 0, 128);
  ledFlashRxTaskHandle = osThreadCreate(osThread(ledFlashRxTask), NULL);

  osThreadDef(ledFlashTxTask, StartLedFlashTxTask, osPriorityNormal, 0, 128);
  ledFlashTxTaskHandle = osThreadCreate(osThread(ledFlashTxTask), NULL);
  /* USER CODE END RTOS_THREADS */

  /* USER CODE BEGIN RTOS_QUEUES */
  /* add queues, ... */
  osMessageQDef(ledFlashMsgQ, 100, uint32_t);
  ledFlashMsgQ = osMessageCreate(osMessageQ(ledFlashMsgQ), NULL);
  /* USER CODE END RTOS_QUEUES */

  ...

  while(1);
}

...

/* StartLedFlashRxTask function */
void StartLedFlashRxTask(void const * argument)
{
  osEvent evt;

  for(;;)
  {
    evt = osMessageGet(ledFlashMsgQ, osWaitForever);
    if (evt.status == osEventMessage)
    {
      if (evt.value.v == 0)
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_14|GPIO_PIN_7, GPIO_PIN_RESET);
      else
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_14|GPIO_PIN_7, GPIO_PIN_SET);
    }
  }
}

/* StartLedFlashTxTask function */
void StartLedFlashTxTask(void const * argument)
{
  for(;;)
  {
    osMessagePut(ledFlashMsgQ, 0, osWaitForever);
    osDelay(500);
    osMessagePut(ledFlashMsgQ, 1, osWaitForever);
    osDelay(500);
  }
}

如果使用自家定制的ARM内核MCU，就需要考虑移植RTOS到自家平台上了，再做一下将FreeRTOS移植到开发板。首先到FreeRTOS官网上下载最新的FreeRTOS源码，参阅一下quick start。

FreeRTOS的目录结构也非常的简单：

Demo/ //FreeRTOS移植到各种平台的Demo
License/
Source/
 |-include/ //头文件
 |-portable/ //移植需要的文件
   |-Keil //分不同的编译器目录，MDK关注这个目录. port.c
   |-...
   |-MemMang //heap文件，一般选择heap_4.c
 |-croutine.c //这些*.c文件就是FreeRTOS的内核文件
 |-event_groups.c
 |-list.c
 |-queue.c
 |-task.c
 |-timers.c
 |-readme.txt

FreeRTOS的移植非常简洁，提供了各大主流平台相关的移植文件，而且区分主流的工具，因此移植到STM32F4xx上几乎不需要修改太多，只是选取相应的文件添加到工程里编译通过，就可以用起来了。

使用前面标准固件库里的工程，添加一个目录Middlewares/FreeRTOS，将FreeRTOS源码里的Source目录里的文件添加到Middlewares/FreeRTOS/里面，如下图所示：

Source/
 |-include/ //全部copy过去
 |-portable/
   |-MemMang/ //全部copy，heap_4.c用的最多
     |-heap_4.c
     |-...
   |-RVDS/ARM_CM4F/  //全部copy，ARM MDK工程与其相同
     |-port.c
     |-portmacro.h
 |-croutine.c //所有的内核文件全部copy
 |-event_groups.c
 |-list.c
 |-queue.c
 |-task.c
 |-timers.c

还需要借用STM32CubeMx生成的带FreeRTOS中间件工程里面的一个头文件FreeRTOSConfig.h，将其copy到工程里。

需要修改的内容，FreeRTOSConfig.h里面需要确认打开几个宏：

#define vPortSVCHandler    SVC_Handler
#define xPortPendSVHandler PendSV_Handler
#define xPortSysTickHandler SysTick_Handler

stm32f4xx_it.c里面需要注释掉上面宏定义的3个中断处理函数，采用FreeRTOS提供的相应的3个函数，FreeRTOS相关的3个函数在port.c里面，属于平台相关。

//void SVC_Handler(void)
//void PendSV_Handler(void)
//void SysTick_Handler(void)

移植工作就完成了，如果是自家平台，需要找一个类似的移植平台修改，从上面的过程可以看出，重点关注FreeRTOS/Source/Portable/[compiler]/[architecture]相关的平台相关的移植文件，以及FreeRTOSConfig.h这个FreeRTOS配置相关的文件。其他就如标准固件库里示例里讲到了启动文件startup_stm32xx.s，中断处理文件stm32xx_it.c，时钟相关文件system_stm32xx.c等，都是平台相关的。

再仿照上面STM32CubeMx生成的带FreeRTOS中间件工程，创建2个任务和1个队列，实现点亮LED的应用代码，main.c里面添加代码如下：

xQueueHandle MsgQueue;

void vledFlashTxTaskFunc(void *pvParameters)
{
  uint32_t zeroMsg = 0;
  uint32_t oneMsg = 1;

  for(;;)
  {
    vTaskDelay(500);
    if (MsgQueue != 0)
      xQueueSend(MsgQueue, (void *)&oneMsg, portMAX_DELAY);
    vTaskDelay(500);
    if (MsgQueue != 0)
      xQueueSend(MsgQueue, (void *)&zeroMsg, portMAX_DELAY);
  }
}

void vledFlashRxTaskFunc(void *pvParameters)
{
  uint32_t recvNum = 0;

  for (;;)
  {
    if(xQueueReceive(MsgQueue, (void *)&recvNum, portMAX_DELAY) == pdPASS)
    {  
      if (1 == recvNum)
        GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_7 | GPIO_Pin_14, Bit_SET);
      else
        GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_7 | GPIO_Pin_14, Bit_RESET);
    }
  }
}

void ledFlashGpioInit(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

  /* GPIOB Peripheral clock enable */
  RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);
  /* Configure PIN0/7/14 (led) */
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_7 | GPIO_Pin_14;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Low_Speed;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
  GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
  GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;  
  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
  GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_7 | GPIO_Pin_14, Bit_RESET);
}

int main(void)
{
  ledFlashGpioInit();
  MsgQueue = xQueueCreate(10, sizeof(uint32_t));
  xTaskCreate(vledFlashRxTaskFunc, "RxTask", configMINIMAL_STACK_SIZE, 0, 1, 0);
  xTaskCreate(vledFlashTxTaskFunc, "TxTask", configMINIMAL_STACK_SIZE, 0, 1, 0);
  vTaskStartScheduler();

  while(1);
}

注意如何在ARM MDK里面添加.c文件和添加相应的.h文件的Include Path，否则在*.c文件里添加#include “*.h”文件时就会报错找不到此头文件。

小结

嵌入式MCU厂商非常了解用户的痛点，不需要用户再付出过多的精力在平台相关的改动上，而是专注在自己的业务上。ST让开发者可以忽略掉ST系列MCU的差异，而且还提供了丰富的中间件支持，让业务的开发更加便捷。对CMSIS标准的支持，让开发者的应用也更加容易移植。FreeRTOS精简的内核加上各主流平台移植的支持，以及丰富的开源中间件支持，无愧为开源嵌入式实时操作系统的一哥。