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.

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.

Те кто знаком с восьмибитными контроллерами типа AVR и PIC, наверняка хорошо знают о такой нужной вещи как встроенная EEPROM память. Она позволяет сохранять в нее некоторые данные и потом считывать их после выключения/включения контроллера. Энергонезависимая память одним словом. Перейдя на контроллеры STM32 я с удивлением обнаружил, что такой памяти у них просто нет! Но как потом оказалось, существует аж целых две альтернативы такой памяти. Первая - использовать backup домен. Это не совсем энергонезависимая память, чтоб информация не разрушалась после выключения основного питания, к определенному выводу контроллера должна быть подключена батарейка (вроде тех, которые стоят в материнских платах). Об этом я подробнее расскажу в следующей статье. А сейчас мы рассмотрим второй способ энергонезависимого хранения пользовательских данных - flash память контроллера.

ЦАП в STM32

ЦАП (или DAC по-буржуйски) это АЦП с точностью до наоборот - он преобразовывает некоторые цифровые данные в их аналоговое представление (читай напряжение). Говоря еще проще - ЦАП позволит нам относительно плавно изменять напряжение на ноге контроллера. Области практического применения: генерация звука, и сигналов произвольной формы. Можно прикрутить к контроллеру SD карточку и сделать wav плеер. Производительности контроллера точно хватит, ибо я делал такое даже на AVR, а у них кстати нет ни какого встроенного ЦАПа и я прикручивал внешний. Работать с ЦАПом очень легко, и в этой статейке я попробую рассказать все, что мне известно о ЦАПе в STM32. На картинке ниже - генерация синуса при помощи ЦАПа:

Генерация ШИМ в STM32

В предыдущей статье про базовые таймеры , мы в очередной раз мигали светодиодами, а в этот раз пойдем гораздо дальше и попробуем вкурить как заставить контроллер STM32 генерировать ШИМ. Для этого нам придётся использовать один из таймеров общего назначения, ведь именно у них есть всё что для этого нужно. Весь остальной функционал этих таймеров конечно впечатляет, но в моей практике он пока не пригодился. Хотя возможно, что в будущем мне пригодятся такие полезные фичи как функция подсчёта внешних импульсов и возможность аппаратно обрабатывать повороты энкодера. Но пока займемся ШИМом. Есть вот такая схема из контроллера, трех резисторов и RGB светодиода которым мы будем управлять. Управление заключается в том, чтоб плавно зажечь и погасить каждый цвет. Разумеется можно взять три разных светодиода если нет RGB.

Basic таймеры в STM32

Таймеры - это такая периферия контроллера STM32 позволяющая нам очень точно отсчитывать интервалы времени. Это пожалуй одна из самых важных и наиболее используемых функций, однако есть и другие. Следует начать с того, что в контроллерах STM32 существуют таймеры разной степени крутости. Самые простые это Basic timers . Они хороши тем, что очень просто настраиваются и управляются при помощи минимума регистров. Все что они умеют это отсчитывать временные интервалы и генерировать прерывания когда таймер дотикает до заданного значения. Следующая группа (general-purpose timers ) гораздо круче первой, они умеют генерировать ШИМ, умеют считать испульсы поступающие на определённые ножки, можно подключать энкодер итд. И самый крутой таймер это advanced-control timer , думаю что его я использовать не буду еще очень долго так как мне пока без надобности управлять трехфазным электродвигателем. Начать знакомство с таймерами следует с чего попроще, я решил взяться за Basic таймеры. Задача которую я себе поставил: Заставить таймер генерить прерывания каждую секунду.

Прерывания в STM32

Однажды, заехав в очередную съемную квартиру, я столкнулся с определенным неудобством, которое достаточно сильно напрягало: выключатель света в основной комнате оказался за шкафом-стенкой, который был прикручен к стене, и его перестановка была невозможна т.к. на это требовалось значительно много времени и сил. Решить данную проблему хотелось очень сильно и в голову пришла одна мысль: сделать дистанционный пульт для управления освещением!

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?

Предвосхищая высказывания о том, что неопытному новичку бросаться сразу же в изучение такого сложного МК как STM32 было бы рановато - я расскажу, почему я решил пойти именно этим путём, не вникая и не знакомясь с семейством процессоров от Atmel и даже не рассматривая Arduino как вариант.

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:

После того, что я увидел значительные различия между ценой и возможностями AVR и STM32 – мною было принято решение, что AVR использовать в своей разработке я не буду =)

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?

Как вы уже поняли, знакомство и изучение микроконтроллера STM32 мы начнем с Вами, уважаемые читатели, с использования платы Discovery. Почему именно Discovery, а не своя плата?

Что нам понадобится для разработки помимо платы Discovery?

В своей работе с платой Discovery нам понадобится еще ряд незаменимых вещей, без которых мы не сможем обойтись:

Приступим к первоначальной настройке и подготовке IDE к работе!

После того, как скачается установочный файл нашей IDE можно приступать к установке. Следуя указаниям инсталлятора проведите процесс установки. После того, как скопируются все файлы, необходимые для работы появится окно установщика софтовых пакетов для разработки Pack Installer . В данном установщике содержатся низкоуровневые библиотеки, Middleware, примеры программ, которые регулярно пополняются и обновляются.

Для начала работы с нашей платой нам необходимо установить ряд пакетов необходимых для работы и необходимо найти микроконтроллер, с которым мы будем работать. Так же можно воспользоваться поиском вверху окна. После того, как мы нашли наш МК кликаем на него и во второй половине окна и нам необходимо установить следующий перечень библиотек:

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 установки требуемых паков можно перейти к настройке IDE и нашего отладчика/программатора. Для этого нам необходимо открыть главное окно Keil и создать новый проект.

Для этого необходимо перейти в меню Project -> New uVision Project и выбрать папку, в которую сохраним наш проект.

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

И вновь появится, уже знакомое нам, окно в котором мы можем подключить интересующие нас модули к проекту. Для нашего проекта понадобится два модуля:

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.

Если все зависимости у подключаемых удовлетворены – менеджер будет нам сигнализировать об этом зеленым цветом:

После того как мы нажмем клавишу ОК мы можем приступать к созданию нашего проекта.

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

В главном меню проекта настраиваем параметр Xtal в значение 8.0 MHz . Данный параметр отвечает за частоту работы кварцевого осциллятора нашего МК:

Далее переходим к настройке нашего программатора/дебагер. Кликаем в этом же окне на вкладку Debug и выбираем в поле Use параметр ST-Link Debugger и переходим в настройки:

В настройках мы должны увидеть модель нашего ST-Link установленного на плате, его серийный номер, версию HW и IDCODE МК который будем прошивать:

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

После этого нужно настроить еще одну опцию, которая позволит нам писать русскоязычные комментарии к коду наших проектов. Нажимаем кнопку Configuration и в открывшемся меню в поле Encoding выбираем Russian Windows-1251 .

Всё. Наша IDE и программатор готовы к работе!

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.

Переименуем папку в структуре проекта с Source Group 1 на App/User , таким образом обозначив то, что в данной папке у нас будут располагаться файлы пользовательской программы:

Добавим основной файл программы через навигатор проекта, выполнив команду Add New Item To Group “App/User” .

Необходимо выбрать из предложенного списка C File (.c) и назначить ему имя main.c :

Созданный файл автоматически добавится в структуру проекта и откроется в главном окне программы.

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.

Система тактирования STM32.

Сегодня речь пойдет о системе тактирования микроконтроллеров STM 32. Если вы ещё не знаете что такое такт, частота и вообще не затрагивали до этого системы тактирования, . Хоть по данной ссылке и рассматривается система тактирования микроконтроллера AVR , понятия определенные в уроке по ссылке, применимы и к системе тактирования микроконтроллеров STM 32.

Итак, приступим!

Рассматривать систему тактирования будем на примере микроконтроллера STM 32F 303VCT 6, который установлен в отладочной плате STM 32 F 3 DISCOVERY .

Взглянем на общую структуру системы тактирования:

Как мы видим, система тактирования STM 32, на порядок сложнее системы тактирования микроконтроллеров AVR, не смотря на то, что на рисунке отражена лишь основная её часть.

Давайте разбираться!

Рассматривать схему следует слева направо. Во-первых, мы должны выбрать основной источник тактирования контроллера. Выбирать будем между HSI и HSE.

HSE -Внешний высокочастотный генератор. Источником тактирования для него служит внешний тактовый сигнал (Input frequency ), который как мы видим по схеме, может быть от 4 до 32 МГц. Это может быть кварцевый резонатор, тактовый генератор и так далее.

HSI - Внутренний высокочастотный генератор. В микроконтроллерах STM 32 F 3 является RC цепочкой с частотой 8МГц. Точность значительно ниже внешнего генератора HSE.

Каждый из данных источников тактирования может быть соединен с PLL . Однако перед подачей на PLL сигнал с HSI будет уменьшен в 2 раза. Сигнал HSE в свою очередь, может подаваться на PLL без изменений, либо быть уменьшен в определенное количество раз, по желанию пользователя.

PLL Clock - Система Фазовой Автоподстройки Частоты (ФАПЧ). Позволяет умножить входной сигнал HSI или HSE в необходимое количество раз.

С PLL сигнал может быть подан на системную шину, максимальная частота которой 72МГц. Либо, на системную шину может быть подан сигнал HSE или HSI напрямую, то есть без преобразования PLL .

Системная тактовая частота SYSCLK , тактирует все основные шины микроконтроллера, через соответствующие делители, как мы видим на схеме выше. Следует учитывать, что максимальная тактовая частота некоторых шин ниже SYSCLK . Поэтому, перед подачей тактового сигнала SYSCLK на шину, следует поделить его соответствующим делителем. Если этого не сделать, микроконтроллер зависнет.

Для настройки тактирования можно прибегнуть к ручной правке регистров, либо воспользоваться библиотечными функциями. Мы воспользуемся библиотекой.

Настроим нашу отладочную плату STM 32 F 3 DISCOVERY на работу с тактовой частотой 72 МГц.

Создадим и настроим проект в Keil uVision . .

Добавим следующий код:

#include "stm32f30x_gpio.h" #include "stm32f30x_rcc.h" void InitRCC() { RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON); //Enable HSE while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_HSERDY) == RESET) ; //Waiting for HSE //Set Flash latency FLASH->ACR |= FLASH_ACR_PRFTBE; FLASH->ACR &= (uint32_t)((uint32_t)~FLASH_ACR_LATENCY); FLASH->ACR |= (uint32_t)((uint8_t)0x02); RCC_PREDIV1Config(RCC_PREDIV1_Div1);//PREDIV 1 Divider = 1 RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_PREDIV1,RCC_PLLMul_9);//Set PREDIV1 as source for PLL,And set PLLMUL=9 RCC_PLLCmd(ENABLE);//Enable PLL while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET) ;//Waiting for PLL RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);//Set PLL as SYSCLK Soucre RCC_HSICmd(DISABLE);//Disable HSI } int main(void) { RCC_ClocksTypeDef RCC_Clocks; InitRCC(); RCC_GetClocksFreq (&RCC_Clocks); __NOP (); while (1) { } }

#include "stm32f30x_gpio.h" #include "stm32f30x_rcc.h" void InitRCC () RCC_HSEConfig (RCC_HSE_ON ) ; //Enable HSE while (RCC_GetFlagStatus (RCC_FLAG_HSERDY ) == RESET ) ; //Waiting for HSE //Set Flash latency FLASH -> ACR |= FLASH_ACR_PRFTBE ; FLASH -> ACR &= (uint32_t ) ((uint32_t ) ~ FLASH_ACR_LATENCY ) ; FLASH -> ACR |= (uint32_t ) ((uint8_t ) 0x02 ) ; RCC_PREDIV1Config (RCC_PREDIV1_Div1 ) ; //PREDIV 1 Divider = 1 RCC_PLLConfig (RCC_PLLSource_PREDIV1 , RCC_PLLMul_9 ) ; //Set PREDIV1 as source for PLL,And set PLLMUL=9 RCC_PLLCmd (ENABLE ) ; //Enable PLL while (RCC_GetFlagStatus (RCC_FLAG_PLLRDY ) == RESET ) ; //Waiting for PLL RCC_SYSCLKConfig (RCC_SYSCLKSource_PLLCLK ) ; //Set PLL as SYSCLK Soucre RCC_HSICmd (DISABLE ) ; //Disable HSI int main (void ) RCC_ClocksTypeDef RCC_Clocks ; InitRCC () ; RCC_GetClocksFreq (& RCC_Clocks ) ; NOP () ; while (1 )

В основной функции main , объявлена структура RCC _ ClocksTypeDef . Данная структура содержит в себе поля, отражающие текущую тактовую частоту определенных частей контроллера.

Затем в основной функции вызывается функция InitRCC ,которая настраивает тактирование контроллера. Рассмотрим её подробнее.

Командой RCC _ HSEConfig (RCC _ HSE _ ON ), мы включаем HSE .На его включение необходимо время, поэтому необходимо подождать пока не будет установлен флаг RCC _ FLAG _ HSERDY . Делаем мы это в цикле while (RCC _ GetFlagStatus (RCC _ FLAG _ HSERDY ) == RESET ) .

Затем мы производим настройку задержки флеш памяти. Это необходимо делать при работе системной шины на частотах свыше 36 МГц!

После настройки задержки выбираем предделитель PLL . Командой RCC _ PREDIV 1 Config (RCC _ PREDIV 1_ Div 1) мы устанавливаем предделитель на 1. Командой RCC _ PLLConfig (RCC _ PLLSource _ PREDIV 1, RCC _ PLLMul _9 ) выбирам HSE как источник частоты для PLL и выбираем умножение в 9 раз. Остается только влючить PLL командой RCC _ PLLCmd (ENABLE ), и ожидать установки флага RCC _ FLAG _ PLLRDY ,в цикле while . Тем самым мы обеспечиваем необходимую временную задержку для включения PLL . После этого выбираем PLL как источник системной частоты SYSCLK командой RCC _ SYSCLKConfig (RCC _ SYSCLKSource _ PLLCLK ). Предделители шин трогать не будем, поэтому шины AHB ,APB 1,APB 2 будут работать на частотах 72,36 и 72 МГц соответственно.

Остается лишь выключить внутреннюю RC цепочку командой RCC _ HSICmd (DISABLE ).

После выполнения функции InitRCC , в основном цикле прошивки заполним структуру RCC _ ClocksTypeDef , что позволит нам узнать, правильно ли мы настроили систему тактирования. Делаем мы это командой RCC_GetClocksFreq (&RCC_Clocks).

Посмотреть значения тактовых частот контроллера можно в режиме отладки, установив точку останова на команде __ NOP () что означает, пустую команду. Данную команду часто добавляют для удобства отладки.

Подключаем отладочную плату STM32 F3 DISCOVERY , собираем прошивку, прошиваем плату и наконец, заходим в режим отладки, нажав кнопку Start /Stop debug session (Ctrl +F 5). Установив точку останова на функции __ NOP ,и добавив структуру RCC _Clocks в Watch ,запускаем исполнение прошивки, нажав F 5. В результате видим:

Частоты настроены правильно, и микроконтроллер теперь работает на частоте 72 Мгц.

Итак, как Вы поняли из сегодняшнего урока, система тактирования STM 32 достаточно мощна и гибка для удовлетворения потребностей Ваших проектов. Потратив время на её настройку - Вы достигнете прекрасных результатов!

Спасибо за внимание! Ваши вопросы как обычно в комментариях!

Любое копирование, воспроизведение, цитирование материала, или его частей разрешено только с письменного согласия администрации MKPROG .RU . Незаконное копирование, цитирование, воспроизведение преследуется по закону!