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STM32從入門到RTOS

2023-02-18 01:17 作者:薛定諤的小伙伴 0人讀過 | 我要投稿

ARM處理器

ARM（Advanced RISC Machine）是一個32位精簡指令集（RISC）處理器架構(gòu)，應(yīng)用于許多嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中。自從ARMv7系列架構(gòu)開始，ARM公司推出了Cortex系列，并根據(jù)不同的應(yīng)用場景推出了Cortex-M，Cortex-A和Cortex-R三款不同方向的產(chǎn)品。

Cortex-M3與STM32

ARM代表了一種芯片標(biāo)準(zhǔn)，體現(xiàn)了芯片的架構(gòu)設(shè)計，而具體涉及到存儲器容量，片上外設(shè)，IO引腳數(shù)等實現(xiàn)，則是由不同的芯片廠商進(jìn)行設(shè)計的，比如當(dāng)前最主流的STM32芯片，它是由ARM公司提供內(nèi)核，意法半導(dǎo)體公司（ST）基于此內(nèi)核進(jìn)行設(shè)計的。

Cortex-M3是一個32位處理器內(nèi)核，屬于ARMv7架構(gòu)，哈佛體系結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部數(shù)據(jù)存取路徑、寄存器、存儲器接口均是32位，如STM32F1系列。

Cortex-M4是在Cortex-M3的基礎(chǔ)上強化了運算能力，新加了浮點、DSP、并行計算等，用以滿足需要有效且易于使用的控制和信號處理功能混合的數(shù)字信號控制市場，如STM32F4系列。

STM32產(chǎn)品命名規(guī)則

以常見搭載最小系統(tǒng)設(shè)計的STM32F103C8T6為例：

STM32：表示32位MCU
F103：表示基礎(chǔ)型
C：表示芯片上含48個引腳
8：表示閃存容量為64K字節(jié)
T：表示QFP封裝
6：表示工作溫度范圍在-40°C到85°C

STM32F103x系列

內(nèi)核：ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核。
工作頻率：72MHz。
內(nèi)置高速存儲器，具有豐富的增強I/O端口和連接到兩條APB總線的外設(shè)，所有型號的器件都包含2個12位的ADC、7個定時器，還包含標(biāo)準(zhǔn)的通信接口。
根據(jù)內(nèi)存大小進(jìn)行分類

小容量產(chǎn)品（16K至32K字節(jié)）：STM32F103x4和STM32F103x6
中等容量產(chǎn)品（64K至128K字節(jié)）：STM32F103x8和STM32F103xB
大容量產(chǎn)品（256K至512K字節(jié)）：STM32F103xC、STM32F103xD和STM32F103xE

Cortex-M3總線接口

Cortex-M3總線接口基于AHB-Lite（Advanced High Performance Bus 高級高性能總線）和APB（Advanced Peripheral Bus 高級外圍總線）協(xié)議。

I-Code：指令總線，AHB‐Lite 總線協(xié)議的 32 位總線，負(fù)責(zé)取址操作。
D-Code：數(shù)據(jù)總線，AHB‐Lite 總線協(xié)議的 32 位總線，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)訪問操作。
System：系統(tǒng)總線（AHB），AHB‐Lite 總線協(xié)議的 32 位總線，負(fù)責(zé)所有數(shù)據(jù)的傳送。
AHB to APB：在AHB和2個APB總線間提供同步連接，APB1操作速度限于36MHz，APB2操作于全速（最高72MHz）。
外設(shè)總線（外部私有）：外設(shè)總線（APB），基于APB總線協(xié)議的 32 位總線，掛載著片上外設(shè)。

硬件準(zhǔn)備

開發(fā)板 STM32F103C8T6 核心板，也稱STM32 Blue Pill

下載器/調(diào)試器 推薦STLink（意法半導(dǎo)體公司出品）或 JLink（Segger公司出品）

有一種U盤形狀的STLink V2調(diào)試器，容易丟失固件后無法識別使用，不推薦

以上兩種調(diào)試器均支持如下接口協(xié)議

JTAG：Joint Test Action Group，聯(lián)合測試工作組規(guī)定的一種仿真協(xié)議，它是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議。
SWD：Serial Wire Debugging，串行調(diào)試接口。

由于最小板只支持4針的SWD接口，這里連線方式如下。

串口通信?可選，用于查看日志，USB轉(zhuǎn)TTL芯片類型任選一種 CH340或PL2303。Windows10可通過Microsoft Store搜索安裝串口調(diào)試助手觀察串口數(shù)據(jù)。

內(nèi)存結(jié)構(gòu)

Cortext-M3缺少內(nèi)存管理單元（MMU），所有端口設(shè)備、存儲空間通過絕對地址訪問。32位對應(yīng)的4G大小的空間分成8大塊：代碼、SRAM、外設(shè)、外部RAM、外部設(shè)備、專用外設(shè)總線-內(nèi)部、專用外設(shè)總線-外部、特定廠商。具體細(xì)節(jié)請參考《The Definitive Guide To ARM Cortex M3》2.5 THE MEMORY MAP，其中

RAM 地址從 0x2000 0000 開始，用于運行時堆棧
Flash地址從 0x0800 0000 開始，用于存放程序代碼

啟動過程

STM32可通過設(shè)置BOOT（核心板上兩個黃色跳線）選擇不同的啟動方式，當(dāng)選用Flash啟動時，0x0800 0000 將映射到 0x0000 0000，通電后從Flash讀取第一條指令。請參考《The Definitive Guide To ARM Cortex M3》3.7 RESET SEQUENCE

芯片上電復(fù)位后，將會將從0x0000 0000 讀取棧頂指針，從0x0000 0004 讀取復(fù)位中斷程序（ResetHandler）地址。

Cortext-M3棧向下增長（先壓棧后存儲）所以SP的初始值應(yīng)該是棧頂上的第一個地址，比如使用0x20007C00到0x20007FFF（1 KB）作為棧區(qū)，SP的值應(yīng)該為0x20008000

代碼原理

在使用IDE開發(fā)之前，先使用最基本的代碼描述程序的執(zhí)行原理。

核心板上有2個LED，紅色為電源指示、藍(lán)色對應(yīng)PC13，可通過設(shè)置GPIOC_13的高低電位控制藍(lán)色LED的閃爍。

STM32F103C8T6僅有64K的Flash和20K的SRAM，所以MSP初始值不能超過0x20005000。通過__asm__指令設(shè)置棧頂為0x20001000，復(fù)位后從main函數(shù)開始執(zhí)行。

STM32端口均為通用IO接口GPIO（General-purpose input/output Port），通過設(shè)置是否啟用、輸入輸出模式達(dá)到節(jié)能、端口復(fù)用的目的。使用前需要進(jìn)行一些基礎(chǔ)設(shè)置。通過查找手冊找到GPIOC的控制寄存器地址。

設(shè)置RCC_APB2ENR 外設(shè)時鐘使能寄存器的IOPCEN位為1，使GPIO_C有效

設(shè)置GPIOx_CRH高位配置寄存器，配置推挽輸出模式，直接給LED供電

通過BSRR 端口位設(shè)置/清除寄存器的BR13/BS13位，使PC13輸出高低電位

使用arm-none-eabi-gcc編譯上述代碼。

鏈接文件內(nèi)容如下，只是將程序放置到代碼段0x0起始位置。

將輸出bin文件通過STLinkUtility 或 STM32CubeProgrammer?工具燒錄即可。由于沒有引用任何外部庫代碼，生成的文件只有108Bytes。

如果出現(xiàn)Can not connect to target錯誤，杜邦線可能斷了或接觸不良

STMCubeIDE

STMCubeIDE是意法半導(dǎo)體基于Eclipse構(gòu)建的開發(fā)工具，可以快速生成項目框架。?https://www.st.com/en/development-tools/stm32cubeide.html

GPIO / PC13為GPIO_Output模式
RCC / High Speed Clock 高速時鐘源為Crystal/Ceramic Resonator?晶振/ 外部陶瓷振蕩器
SYS / Debug調(diào)試模式為Serial Wire

保存設(shè)置后，提示自動生成代碼。只要在指定區(qū)域編寫用戶代碼，后續(xù)修改ioc的配置可重新生成代碼。這里通過HAL庫函數(shù)修改GPIOC的狀態(tài)，跟蹤這些庫函數(shù)可以看到，GPIOC、GPIOC_BASE等均是對應(yīng)寄存器的地址定義。

編寫時可通過 Alt+/ 激活代碼提示

點擊Run按鈕IDE將自動構(gòu)建并下載文件到芯片，Debug模式也可以在代碼中設(shè)置斷點調(diào)試。Memory Regions窗口會展示空間使用狀況，由于使用HAL庫，F(xiàn)lash的空間占用了增長到4.59KB。

中斷和異常

Cortex-M3內(nèi)核支持256個中斷，其中包含了16個內(nèi)核中斷（異常）和240個外部中斷，并且具有256級的可編程中斷設(shè)置。

其中SysTick是一個24位的系統(tǒng)節(jié)拍定時器，具有自動重載和溢出中斷功能，可以由這個定時器獲得一定的時間間隔。如果在SysTick位置放置一個函數(shù)，定時檢查任務(wù)狀態(tài)并進(jìn)行上下文切換（將寄存器狀態(tài)寫入當(dāng)前任務(wù)的控制塊TCB中，找到下一個可執(zhí)行的任務(wù)并恢復(fù)寄存器狀態(tài)），就達(dá)到分時調(diào)度的效果，比如同等優(yōu)先級任務(wù)進(jìn)行輪詢調(diào)度。

PendSV是一個可掛起的系統(tǒng)服務(wù)，配置為最低優(yōu)先級，它會在其他異常執(zhí)行完畢后再執(zhí)行，而且任何異常都可以中斷它。用戶代碼可直接請求一個PendSV，讓出CPU進(jìn)行任務(wù)切換如果某個IRQ正在活動并且被 SysTick搶占，它將懸起一個 PendSV異常，等SysTick、ISR執(zhí)行完畢后緩期執(zhí)行上下文切換。這樣可以避免中斷對上下文切換的干擾。

SysTick、PendSV異常是所有RTOS實現(xiàn)的核心。

μC/OS IIII移植

開源、商業(yè)化收費，是Micrium公司開發(fā)的一款嵌入式實時操作系統(tǒng)，代碼規(guī)范符合ANSI-C標(biāo)準(zhǔn)，簡潔干凈非常適合學(xué)習(xí)。最早出自于1992 年美國嵌入式系統(tǒng)專家Jean J.Labrosse 在《嵌入式系統(tǒng)編程》雜志的文章連載。1998年發(fā)布的第二代，通過嚴(yán)格的測試，2000年獲得DO-178BA級認(rèn)證，得到美國聯(lián)邦航空管理局FAA的認(rèn)證，可以用在飛行器上。2009年發(fā)行第三代，經(jīng)過了全新的設(shè)計，具有高度可移植性，沒有任務(wù)數(shù)目的限制。

官網(wǎng)提供了系統(tǒng)移植例程，這里可以參考STM32F107的

鏈接：https://pan.baidu.com/s/14qwunKCyeArTFGCYIIizbw? 提取碼：hadl

創(chuàng)建RTOS，將解壓后的uC-CPU, uC-LIB, uCOS-III 拷貝進(jìn)去
創(chuàng)建uC-Config，將EvalBoards中uCOS-III、BSP下的文件拷貝進(jìn)去

添加RTOS到Source Location

IDE使用gcc編譯器進(jìn)行構(gòu)建，所以uC-CPU、uC-LIB、uCOS-III目錄中ARM-Cortext-M3只保留GNU（RealView對應(yīng)Keil公司的MDK編譯器）。其余的可直接刪掉，或者右鍵Resource Configurations / Exclude from Build..