STM32裸机编程指南-1

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系列目录

这个系列将介绍STM32裸机编程的基础知识，以便更好地理解STM32Cube、Keil等框架和IDE是如何工作的。本指南完全从头开始，只需要编译器和芯片数据手册，而不依赖任何其它软件工具和框架。

这个系列涵盖了以下话题：

  • 存储和寄存器
  • 中断向量表
  • 启动代码
  • 链接脚本
  • 使用make进行自动化构建
  • GPIO外设和闪烁LED
  • SysTick定时器
  • UART外设和调试输出
  • printf重定向到UART
  • 用Segger Ozone进行调试
  • 系统时钟配置
  • 实现一个带设备仪表盘的web服务器

我们将使用Nucleo-F429ZI开发板(淘宝购买)贯穿整个指南的实践，每个章节都有一个相关的完整小项目可以实战。最后一个web服务器项目非常完整，可以作为你自己项目的框架，因此这个示例项目也提供了其他开发板的适配：

对其他板子的适配支持还在进行中，可以提交issue来建议适配你正在用的板子。

工具配置

为继续进行，需要以下工具：

Mac安装

打开终端，执行：

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$ /bin/bash -c "$(curl -fsSL https://raw.githubusercontent.com/Homebrew/install/HEAD/install.sh)"
$ brew install gcc-arm-embedded make stlink

Linux(Ubuntu)安装

打开终端，执行：

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$ sudo apt -y install gcc-arm-none-eabi make stlink-tools

Windows安装

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scoop install gcc-arm-none-eabi make stlink

验证安装：

  1. 下载这个仓库，解压到 C:\
  2. 打开命令行，执行：
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cd C:\bare-metal-programming-guide-main\step-0-minimal
make

数据手册

微控制器介绍

微控制器（microcontroller，uC或MCU）是一个小计算机，典型地包含CPU、RAM、存储固件代码的Flash，以及一些引脚。其中一些引脚为MCU供电，通常被标记为VCC和GND。其他引脚通过高低电压来与MCU通信，最简单的通信方法之一就是把一个LED接在引脚上：LED一端接地，另一端串接一个限流电阻，然后接到MCU信号引脚。在固件代码中设置引脚电压的高低就可以使LED闪烁：

存储和寄存器

MCU的32位地址空间按区分割。例如，一些存储区被映射到特定的地址，这里是MCU的片内flash，固件代码指令在这些存储区读和执行。另一些区是RAM，也被映射到特定的地址，我们可以读或写任意值到RAM区。

从STM32F429数据手册的2.3.1节，我们可以了解到RAM区从地址0x20000000开始，共有192KB。从2.4节我们可以了解到flash被映射到0x08000000，共2MB，所以flash和RAM的位置像这样：

从数据手册中我们也可以看到还有很多其它存储区，它们的地址在2.3节”Memory Map”给出，例如：”GPIOA”区从地址0x40020000开始，长度为1KB。

这些存储区被关联到MCU芯片内部不同的外设电路上，以特殊的方式控制外设引脚的行为。一个外设存储区是一些32位寄存器的集合，每个寄存器有4字节的空间，在特定的地址，控制着外设的特定功能。通过向寄存器写入值，或者说向特定的地址写一个32位的值，我们就可以控制外设的行为。通过读寄存器的值，我们就可以得到外设的数据或配置。

MCU通常有许多不同的外设，其中比较简单的就是GPIO（General Purpose Input Output，通用输入输出），它允许用户将MCU引脚设为输出模式，然后置“高”或置“低”；或者设置为输入模式，然后读引脚电压的“高”或“低”。还有UART外设，可以使用串行协议通过两个引脚收发数据。还有许多其它外设。

在MCU中，一个相同外设通常会有多个“实例”，比如GPIOA、GPIOB等等，它们控制着MCU引脚的不同集合。类似地，也有UART1、UART2等等，可以实现多通道。在Nucleo-F429上，有多个GPIO和UART外设。

例如，GPIOA外设起始地址为0x40020000，我们可以从数据手册8.4节找到GPIO寄存器的描述，上面说 GPIOA_MODER 寄存器偏移为0，意味着它的地址是 0x40020000 + 0，寄存器地址格式如下：

数据手册显示MODER这个32位寄存器是由16个2位的值组成。因此，一个MODER寄存器控制16个物理引脚，0-1位控制引脚0，2-3位控制引脚1，以此类推。这个2位的值编码了引脚模式：’00’代表输入，’01’代表输出，’10’代表替代功能——在其它部分进行描述，’11’代表模拟引脚。因为这个外设命名为’GPIOA’，所以对应引脚名为’A0’、’A1’，等等。对于外设’GPIOB’，引脚则对应叫’B0’、’B1’，等等。

如果我们向MODER寄存器写入32位的值’0’，就会把从A0到A15这16个引脚设为输入模式：

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* (volatile uint32_t *) (0x40020000 + 0) = 0;  // Set A0-A15 to input mode

通过设置独立的位，我们就可以把特定的引脚设为想要的模式。例如，下面的代码将A3设为输出模式：

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* (volatile uint32_t *) (0x40020000 + 0) &= ~(3 << 6);  // CLear bit range 6-7
* (volatile uint32_t *) (0x40020000 + 0) |= 1 << 6;     // Set bit range 6-7 to 1

我来解释下上面的位操作。我们的目标是把控制GPIOA外设引脚3的位，也就是6-7，设为特定值，在这里是1。这个需要2步，首先，我们必须将6-7位的当前值清除，也就是清’0’，因为这两位可能已经有值；然后，我们再将6-7设为期望值。

所以，第一步，我们先把6-7位清’0’，怎么做呢？4步：

  • 使一个数有连续的N位’1’
    • 1位用1： 0b1
    • 2位用3: 0b11
    • 3位用7： 0b111
    • 4位用15： 0b1111
    • 以此类推，对于N位，数值应为 2^N - 1。对于2位，数值为 3，或者写为二进制 0b00000000000000000000000000000011
  • 将数字左移位。如果我们需要设置位 X-Y，则将数字左移X位。在我们的例子中，左移6位：(3 << 6)，得到 0b00000000000000000000000011000000
  • 取反：0变1，1变0：~(3 << 6), 得到 0xb11111111111111111111111100111111
  • 现在，将寄存器值与我们的数字进行逻辑”与”操作，6-7位与’0’后会变0，其它位与’1’后不变，这就是我们想要的：REG &= ~(3 << 6)。注意，保持其它位的值不变是重要的，我们并不想改变其它位的配置。

一般地，如果我们想将 X-Y 位清除，或者说设为0，这样做：

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PERIPHERAL->REGISTER &= ~(NUMBER_WITH_N_BITS << X);

最后，我们把那些位设为我们想要的值，则需要把想要的值左移X位，然后与寄存器当前值进行逻辑”或”运算：

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PERIPHERAL->REGISTER |= VALUE << X;

现在，你应该明白了，下面的两行代码将把GPIOA MODER寄存器的6-7位设为1，即输出模式：

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* (volatile uint32_t *) (0x40020000 + 0) &= ~(3 << 6);  // CLear bit range 6-7
* (volatile uint32_t *) (0x40020000 + 0) |= 1 << 6;     // Set bit range 6-7 to 1

还有一些寄存器没有被映射到MCU外设，而是被映射到了ARM CPU的配置和控制。例如，有一个”Reset and clock control”单元（RCC），在数据手册第6节有描述，这些寄存器用来配置系统时钟和一些其它的事情。