ARM. STM32 быстрый старт

Именно с идеи создания собственного пультика для управления светом в комнате и началось моё увлечение электроникой, микроконтроллерами и различными радиоустройствами.

После этого я начал изучать данную тему, знакомиться с основами электроники, примерами устройств, узнавать, как люди реализуют подобного рода устройства. Поискав информацию на тему того, с чего можно было бы начать изучение микроконтроллеров я узнал о том, что такое Arduino, с чем их едят, о том, как с ними работать. Легкое решение выглядело весьма привлекательно, ведь насколько я понял на тот момент, код собирается на раз-два. Но сделав вывод, что я не узнаю, что творится внутри микроконтроллера за рамками Arduino-скетчей я решил поискать более интересный вариант, который подразумевал глубокое изучение и погружение в дебри микроконтроллерной техники.

В компании, в которой я работаю, имеется отдел разработки, и я решил обратиться к инженерам чтобы они направили меня на путь истинный и показали с чего можно было бы начать решение своей задачи. Меня решительно отговорили от изучения Arduino и у меня в руках оказалась неведомая и непонятная зеленая платка на которой виднелись надписи, буковки, разные электронные компоненты.

Всё это для меня на тот момент показалось непостижимо сложным, и я даже пришел в некоторое смятение, но от реализации поставленной задачи отказываться не собирался. Так я познакомился с семейством микроконтроллеров STM32 и платой STM32F0-Discovery, после изучения которых мне хотелось бы сваять свой девайс под нужные мне цели.

К моему большому удивлению, такого большого комьюнити, статей, примеров, различных материалов по STM не было в таком же изобилии как для Arduino. Конечно, если поискать найдется множество статей «для начинающих» где описано, как и с чего начать. Но на тот момент мне показалось, что все это очень сложно, не рассказывались многие детали, интересные для пытливого ума новичка, вещи. Многие статьи хоть и характеризовались как «обучение для самых маленьких», но не всегда с их помощью получалось достичь требуемого результата, даже с готовыми примерами кода. Именно поэтому я решил написать небольшой цикл статей по программированию на STM32 в свете реализации конкретной задумки: пульт управления освещением в комнате.

Почему не AVR/Arduino?

Во-первых, решающую роль сыграло отношение цена-функционал, разницу видно даже между одним из самых дешевых и простых МК от ST и достаточно «жирной» ATMega:

Во-вторых, я предварительно для себя старался определить набор умений и навыков, которые бы я получил к моменту, когда я достигну требуемого результата. В случае если бы я решил использовать Arduino – мне было бы достаточно скопировать готовые библиотеки, накидать скетч и вуаля. Но понимание того, как работают цифровые шины, как работает радиопередатчик, как это всё конфигурируется и используется – при таком раскладе мне бы не пришло бы никогда. Для себя я выбрал самый сложный и тернистый путь, чтобы на пути достижения результата – я бы получил максимум опыта и знаний.

В-третьих, любой STM32 можно заменить другим STM32, но с лучшими характеристиками. Причем без изменения схемы включения.

В-четвертых, люди, занимающиеся профессиональной разработкой больше склонны к использованию 32-разрядных МК, и чаще всего это модели от NXP, Texas Instruments и ST Microelectronics. Да и мне можно было в любой момент подойти к своим инженерам из отдела разработки и разузнать о том, как решить ту или иную задачу и получить консультацию по интересующим меня вопросам.

Почему стоит начинать изучение микроконтроллеров STM32 с использования платы Discovery?

Что нам понадобится для разработки помимо платы Discovery?

Приступим к первоначальной настройке и подготовке IDE к работе!

1. Keil::STM32F0xx_DFP – полноценный пакет программного обеспечения для конкретного семейства микроконтроллеров, включающий в себя мануалы, даташиты, SVD-файлы, библиотеки от производителя.
2. ARM::CMSIS – пакет Cortex Microcontroller Software Interface Standard, включающий в себя полный набор библиотек от ARM для поддержки ядра Cortex.
3. Keil::ARM_Compiler – последняя версия компилятора для ARM.

После Keil спросит нас какой МК будет использоваться в проекте. Выбираем нужный нам МК и нажимаем ОК .

1. Ядро библиотеки CMSIS , в котором объявлены настройки, адреса регистров и многое другое из того что необходимо для работы нашего МК.
2. Startup-файл , который отвечает за первоначальную инициализацию МК при старте, объявление векторов и обработчиков прерываний и многое другое.

Для того, чтобы сконфигурировать параметры проекта и настроить наш программатор нужно правым кликом по Target 1 открыть соответствующее меню.

Для удобства можно настроить параметр, отвечающий за то, чтобы МК сбрасывался автоматически после перепрошивки. Для этого нужно поставить галочку в поле Reset and Run .

В Keil имеется удобный навигатор по проекту, в котором мы можем видеть структуру проекта, необходимые для работы справочные материалы, в т. ч. те, которые мы уже скачали к себе на компьютер до этого (схема Discovery, datasheet, reference manual), список функций, использованных в проекте и шаблоны для быстрой вставки разных языковых конструкций языка программирования.

Что ж, теперь мы можем приступить к созданию нашей программы.

Первым делом, необходимо подключить к нашему исполняемому файлу заголовочный документ нашего семейства микроконтроллеров. Добавим в файл main.c строки следующего содержания, данная программа заставить попеременно моргать наши светодиоды:

/* Заголовочный файл для нашего семейства микроконтроллеров*/ #include "stm32f0xx.h" /* Тело основной программы */ int main(void) { /* Включаем тактирование на порту GPIO */ RCC->AHBENR |= RCC_AHBENR_GPIOCEN; /* Настраиваем режим работы портов PC8 и PC9 в Output*/ GPIOC ->MODER = 0x50000; /* Настраиваем Output type в режим Push-Pull */ GPIOC->OTYPER = 0; /* Настраиваем скорость работы порта в Low */ GPIOC->OSPEEDR = 0; while(1) { /* Зажигаем светодиод PC8, гасим PC9 */ GPIOC->ODR = 0x100; for (int i=0; i<500000; i++){} // Искусственная задержка /* Зажигаем светодиод PC9, гасим PC8 */ GPIOC->ODR = 0x200; for (int i=0; i<500000; i++){} // Искусственная задержка } }
После того, как мы написали нашу программу, настала пора скомпилировать код и загрузить прошивку в наш МК. Чтобы скомпилировать код и загрузить можно воспользоваться данным меню.

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

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?

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

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.

С чего начать?

Создание проекта

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

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

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

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

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

Приступаем к работе!

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

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

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

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

Режим работы

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

• 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

Установка значения на пине МК

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!

Мигаем светодиодом

Оптимизируем алгоритм

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

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

• 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.

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

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?

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

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.

С чего начать?

Создание проекта

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

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

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

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

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

Приступаем к работе!

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

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

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

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

Режим работы

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

• 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

Установка значения на пине МК

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!

Мигаем светодиодом

Оптимизируем алгоритм

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

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

• 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.

Приветствую всех любителей программирования, микроконтроллеров, да и электроники в целом на нашем сайте! В этой статье немного расскажу о том, чем мы будем заниматься тут, а именно об учебном курсе по микроконтроллерам ARM.

Итак, для начала разберемся, что же нужно знать и уметь, чтобы начать изучать ARM’ы. А, в принципе, ничего супер сложного и фееричного 😉 Конечно, на контроллеры ARM люди обычно переходят, уже наигравшись с PIC’ами и AVR’ками, то есть в большинстве своем опытные разработчики. Но я постараюсь максимально подробно и понятно описывать все то, что мы будем разбирать, чтобы те, кто впервые решил попробовать себя в программировании микроконтроллеров, могли легко разобраться в материале. Кстати, если будут возникать какие-нибудь вопросы, или просто что-то будет работать не так, как задумывалось, пишите в комментарии, постараюсь разобраться и помочь.

Теперь перейдем к техническим вопросам) Несколько раз я уже упомянул название «Учебный курс ARM», но, по большому счету, это не совсем верно. Микроконтроллера ARM как такового не существует. Есть контроллер с ядром(!) ARM, а это, согласитесь, все-таки не одно и то же. Так вот, такие девайсы выпускает ряд фирм, среди которых особо выделяются, STMicroelectronics и NXP Semiconductors. Соответственно выпускают они контроллеры STM и LPC. Я остановил свой выбор на STM32, они мне просто больше понравились =) У STM очень подкупает, что разобравшись с любым МК из линейки STM32F10x, не возникнет никаких проблем и с любым другим. Одна линейка – один даташит. Кстати есть огромное количество как дорогих, так и не очень, отладочных плат с контроллерами STM32, что очень радует, хотя первое время будем отлаживать наши программы в симуляторе, чтобы оценить возможности контроллера, прежде чем покупать железо. Вот, на всякий случай, официальный сайт STMicroelectronics – .

Как то плавно выехали на тему компилятора, так что скажу пару слов об этом. Я, недолго думая, выбрал Keil, не в последнюю очередь из-за мощного встроенного симулятора. Можно и на UART там посмотреть, и на любой регистр, и даже логический анализатор имеется в наличии. Словом, у меня Keil оставил в основном только приятные впечатления, хотя есть и минусы, конечно, но не катастрофические. Так что можете смело качать Keil uvision4 с офф. сайта (). Правда есть одно НО – IDE платная, но доступен демо-режим с ограничением кода в 32кБ, которых нам пока с лихвой хватит. Кому этого мало есть огромное количество кряков для Keil’а 😉 Устанавливается все без проблем – пару раз тыкаем далее и все отлично ставится и работает без дополнительных танцев с бубном.

Собственно, вот и все, что я хотел тут рассказать, пора переходить от слов к делу, но это уже в следующей статье. Будем изучать программирование микроконтроллеров STM32 с нуля!