Gliederung

• Einleitung
• Modell Bezeichnungen
• Hardware
  • Nucleo-F103RB
  • Blue Pill Board
  • Maple Mini Board
  • STM32F103VET6 Minimum System Board
  • Elektrische Daten
    • Besondere Ausnahmen
• Dokumentationen
• Software
  • Projekt auf Basis von CMSIS erzeugen
  • GCC Optionen
    • Newlib
    • Assembler Listing
    • Optimizer
• Programmier- und Debug-Schnittstellen
  • Boot Modi
  • Serieller Bootloader
  • USB Bootloader
  • SWJ Schnittstelle
    • ST-Link Adapter
    • SWJ Deaktivieren
    • Debuggen ohne NRST
    • Trace Meldungen ausgeben
• Startup-Code
• Taktgeber
• Speicher-Stuktur
  • Stack
  • Interrupt-Vektoren
• SysTick Timer
• Digitale Pins
• Analoge Eingänge
• PWM Ausgänge
• Echtzeituhr
  • Initialisieren
  • Lesen
  • Beschreiben
  • Kalibrieren
• USART Schnittstelle
• USB Schnittstelle
  • Virtueller COM-Port mit Cube HAL
  • Virtueller COM-Port ohne Cube HAL
• Power Management
• Arduino Umgebung
  • STM32duino Bootloader
  • Virtueller COM-Port mit Arduino
• Atollic TrueSTUDIO

Notizen zur STM32F1 Serie

Wer noch keine ARM Mikrocontroller programmiert hat, dem empfehle ich das Buch Einblick in die moderne Elektronik ohne viel Theorie.

Modell Bezeichnungen

Der STM32F103C8T6 ist also aus der Mainstream Familie, Performance line, Medium Density. Er läuft mit bis zu 72Mhz, hat 48 Pins, 64kB Flash Speicher, ein LQFP Gehäuse und eignet sich für -40 bis +85°C.

Hardware

Nucleo-F103RB Board

Das Nucleo-F103RB Board (alias Nucleo-64 mit STM32F103RBT6) ist ein hochwertiges Starter-Set zum günstigem Preis um 15€. Die Besonderheit bei diesem Board ist, dass man einen ST-Link Adapter und einen USB-UART quasi dazu geschenkt bekommt.

• ARM Cortex-M3 Mikrocontroller Modell STM32F103RBT6
  • max. 72MHz
  • 128kB Flash
  • 20kB RAM
  • 51·GPIO Pins, alle auf Stiftleisten herausgeführt
  • 2·ADC 12bit mit 15 Eingängen
  • 2·I2C, 3·USART, 2·SPI, 1·USB oder CAN, 7·DMA, 3·16bit Timer, RTC
• 8MHz Hauptquarz und 32kHz Uhrenquarz
• Eine programmierbare LED an PA5, die bei High Pegel leuchtet
• Ein programmierbarer Taster, der PC13 auf Low zieht, mit 4,7k Pull-Up Widerstand
• Reset Taster
• Stromversorgung wahlweise über USB, 7-12V, 5V oder 3,3V
• Arduino UNO V3 kompatible Buchsenleisten für Erweiterungen (sogenannte Shields)
   
• Abtrennbarer ST-Link Adapter in Version 2.1
  • Zum Programmieren
  • Zum Debuggen
  • Virtueller Memory-Stick über den man Programme (*.bin Dateien) hochladen kann, kompatibel zu mbed
  • Virtueller COM Port (USB-UART) verbunden mit USART2, zur freien Verwendung
  • Der ST-Link kann für alle STM32 Mikrocontroller benutzt werden

STM32 Nucleo-64 Manual Technische Beschreibung des "Nucleo" Boardes

Blue Pill Board

Das sogenannte "Blue Pill" Board aus China findet mant bei AliExpress besser als "STM32F103C8T6 Board". Es kostet nur etwa 2€, ein absoluter Knallerpreis. Wenn man besonders dünne Stiftleisten verwendet, passt das Board in einen 40-poligen DIP Sockel.

• ARM Cortex-M3 Mikrocontroller Modell STM32F103C8T6
  • max. 72MHz
  • 64kB Flash
  • 20kB RAM
  • 27 nutzbare GPIO Pins herausgeführt
    • +2 wenn man auf USB verzichtet
    • +2 wenn man auf den Uhrenquarz verzichtet
    • +2 an der 4-poligen Stiftleiste wenn man auf SWD verzichtet
  • 2·ADC 12bit mit 10 Eingängen
  • 2·I²C, 3·USART, 2·SPI, 1·USB oder CAN, 7·DMA, 3·16bit Timer, RTC
• 8MHz Hauptquarz und 32kHz Uhrenquarz
• Zwei Jumper für den Boot Modus, über 100kΩ mit dem µC verbunden
• Eine programmierbare LED an PC13, die bei Low Pegel leuchtet
• Reset Taster
• Stromversorgung wahlweise über USB, 3.3V oder 5V
• Separate Stiftleiste für die SWD Schnittstelle zum Anschluss des ST-Link Adapters

Der Boot1 Jumper (=PB2) kann im Normalbetrieb für eigene Zwecke verwendet werden.

Es wird geraten, den Rahmen der empfindlichen USB Buchse nachzulöten. Man darf das Board nicht gleichzeitig über USB und ein 5V Netzteil versorgen (Kurzschluss). Eine zusätzliche 3,3V Versorgung ist hingegen in Ordnung.

Der Widerstand R10 ist oft falsch mit 10kΩ statt dem richtigen 1,5kΩ bestückt, so dass der USB Port unzuverlässig funktioniert. Zur Korrektur kann man zusätzlich einen 1,8kΩ Widerstand parallel schalten (von PA12 nach 3,3V).

Wenn der 32kHz Uhrenquarz benutzt wird, soll man die Stifte an PC14 und PC15 entfernen, damit er stabil schwingt.

Es wurde mehrfach berichtet, daß diese Boards mit aktiviertem Schreibschutz verkauft wurden. Das kann man über den SWD Anschluss oder über den seriellen Bootloader in den Option Bytes wieder entsperren.

Schaltpan des "Blue Pill" Boardes

Maple Mini Board

Das LeafLabs Maple Mini Board aus China bekommt man ab 3€. Es ist mit dem selben Mikrocontroller bestückt, unterscheidet sich jedoch bei der Pinbelegung, und Stromversorgung. Dessen RTC ist mangels Quarz nicht benutzbar. Es hat keine SWD Stiftleiste, die entsprechenden Signale (SWD und SWCLK) sind jedoch auf einer der beiden Stiftleisten herausgeführt. Dieses Board passt nicht in 40 polige DIP Sockel.

Die aufgedruckte Beschriftung der Pins entspricht nicht dem Datenblatt, sondern bezieht sich auf das Arduino Framework.

• ARM Cortex-M3 Mikrocontroller Modell STM32F103C8T6
  • max. 72MHz
  • 64kB Flash
  • 20kB RAM
  • 28 nutzbare GPIO Pins herausgeführt
    • +2 wenn man auf USB verzichtet
    • +2 wenn man auf SWD verzichtet
  • 2·ADC 12bit mit 9 Eingängen
  • 2·I²C, 3·USART, 2·SPI, 1·USB oder CAN, 7·DMA, 3·16bit Timer
• 8MHz Hauptquarz
• Eine programmierbare LED an PB1, die bei High Pegel leuchtet
• Ein programmierbarer Taster an PB8 und Boot0, der die Pins über 1kΩ auf High zieht, mit 10k Pull-Down Widerstand.
• Reset Taster
• Stromversorgung wahlweise über USB, 5-12V oder 3.3V

Der Spannungsregler kann leicht überhitzen wenn man ihn bei mehr als 7V Versorgungsspannung mit zusätzlichen Verbrauchern belastet. Im Gegensatz zum "Blue Pill" Board darf man dieses Board gleichzeitig über USB und ein 5V Netzteil versorgen.

Ein High Pegel an PB9 schaltet den USB Anschluss (Pull-Up Widerstand) ein.

STM32duino Wiki: Maple Mini Technische Beschreibung des "Maple Mini" Boardes

STM32F103VET6 Minimum System Board

Dieses Board aus China bekommt man ab 9€. Es ist offensichtlich eine größere Variante vom "Blue Pill" Board. Ich habe es noch nicht ausprobiert.

• ARM Cortex-M3 Mikrocontroller Modell STM32F103VET6
  • max. 72 MHz
  • 512kB Flash
  • 64kB RAM
  • 74 nutzbare GPIO Pins herausgeführt
    • +2 wenn man auf USB verzichtet
    • +2 wenn man auf den Uhrenquarz verzichtet
    • +2 wenn man auf SWD verzichtet
  • 3·ADC 12bit mit 16 Eingängen
  • 2·DAC 12bit mit je 1 Ausgag
  • 2·I²C, 5·USART, 3·SPI, 2·I²S, 1·SDIO, 1·USB oder CAN, 12·DMA, 4·16bit Timer, 2·16bit PWM Timer, RTC
• Serielles EEPROM AT28C08 mit 8kB Größe an PB6 und PB7 (= I²C 1)
• 8MHz Hauptquarz und 32kHz Uhrenquarz
• Zwei Jumper für den Boot Modus, über 100kΩ mit dem µC verbunden
• Eine programmierbare LED an PC13, die bei Low Pegel leuchtet
• Reset Taster
• Stromversorgung wahlweise über USB, 3.3V oder 5V
• Separate Stiftleiste für die SWD Schnittstelle zum Anschluss des ST-Link Adapters

Die Firmware installiert man wahlweise über USART1 oder USB mit dem fest installierten Bootloader oder über SWD mit einem ST-Link Adapter.

Der Boot1 Jumper (=PB2) kann im Normalbetrieb für eigene Zwecke verwendet werden.

Man darf das Board nicht gleichzeitig über USB und ein 5V Netzteil versorgen (Kurzschluss). Eine zusätzliche 3,3V Versorgung ist hingegen in Ordnung.

Wenn USB verwendet wird, empfehle ich, den Pull-Up Widerstand an PA12 (D+) zu überprüfen. Er ist im Schaltplan mit 4,7kΩ eingezeichnet, es sollten aber 1,5kΩ sein.

Wenn der 32kHz Uhrenquarz benutzt wird, soll man die Stifte an PC14 und PC15 entfernen, damit er stabil schwingt.

Schaltpan des STM32F103VET6 Minimum System Board

Elektrische Daten

Die Stromaufnahme ist mit 8bit Mikrocontrollern vergleichbar. Im Stop Modus ist die Stromaufnahme jedoch mit ~20µA sehr viel höher. Für langfristigen Batteriebetrieb wird daher auf die sparsamere STM32L1 oder L4 Serie verwiesen.

Viele I/O Pins sind 5V tolerant. Bei den STM32F103 Modellen sind das: PA8-15, PB2-4, PB6-15, PC6-12, PD0-15, PE0-15, PF0-5, PF11-15, PG0-15.

Die 5V toleranten I/O Pins sind durch ESD Schutzdioden gegen negative Eingangsspannung geschützt. Diese vertragen einzeln 5mA, alle zusammen jedoch nur maximal 25mA. Stromfluss durch Überspannung über 5,5V ist nicht zulässig.

Die nicht 5V toleranten I/O Pins sind durch ESD Schutzdioden sowohl gegen negative Eingangsspannung als auch gegen Überspannung (höher als die Versorgungsspannung) geschützt. Auch hier sind einzeln 5mA, für alle zusammen jedoch nur maximal 25mA zulässig.

Die Ausgänge sind einzeln mit 20mA belastbar, gültige Logikpegel sind bis 8mA garantiert. Jedoch dürfen alle Ausgänge zusammen nur mit maximal 150mA belastet werden. Im open-drain Modus dürfen die 5V toleranten Ausgänge durch externe Widerstände auf 5V gezogen werden. Die Ausgänge sind nicht Kurzschlussfest.

Die internen Pull-Up und Pull-Down Widerstände haben typischerweise 40kΩ. Alle I/O Pins haben typischerweise 5pF Kapazität.

Der NRST Pin hat intern einen Pull-Up Widerstand und kann sowohl vom Chip selber als auch von außen auf Low gezogen werden. Intern erzeugte Reset-Impulse sind mindestens 20µs lang.

Besondere Ausnahmen

Die ESD Schutzdioden von PA4, PA5, PC13, PC14 und PC15 darf man nicht belasten.

Dokumentationen

Werte für x: T = 36 Pins, C = 48 Pins, R = 64 Pins, V = 100 Pins, Z = 144 Pins

Optional:

• STM32F1 series of mainstream MCUs Überblick über die STM32F1 Serie
• STM32 Cortex M3 Programming Manual Beschreibung der Assembler Befehle
• STM32 F1 HAL Drivers Beschreibung der HAL Library, die CubeMX verwendet
• The Definitive Guide To The ARM Cortex-M3 Ein wirklich passender Name für das Buch
• ARM Cortex M3 Technical Reference Manual von ARM

Software

Ganz unten findest du Hinweise zu anderen Entwicklungsumgebungen: Arduino IDE und Atollic TrueSTUDIO.

Optionale Software für Windows:

• STM32 Cube MX Code Generator für die Cube HAL
• STM32 Cube Programmer zum Flashen und Ändern der Option-Bytes über ST-Link oder Bootloader
• ST-Link Utility zum Anzeigen von Trace Meldungen, Flashen und Ändern der Option-Bytes über ST-Link Adapter
• Flash Loader Demonstrator zum Flashen über den seriellen Bootloader
• DFU Software zum Flashen über den USB Bootloader

Optionale Software für Linux:

• STM32 Cube MX Code Generator für die Cube HAL
• STM32 Cube Programmer zum Flashen und Ändern der Option-Bytes über ST-Link oder Bootloader
• ST-Link Tool zum Flashen mit ST-Link Adapter
• STM32 Flash zum Flashen über den seriellen Bootloader

Bei Linux wird multiarch-support benötigt, damit es sowohl 64bit als auch 32bit Programme ausführen kann.

Achtung: Direkt nach der Installation der System Workbench gehe ins Menü "Help/Check for Updates...", um Fehlerkorrekturen zu erhalten!

Die Basis-Library für alle ARM Controller heisst CMSIS-Core. Dabei handelt es sich im Grunde genommen um einen Haufen Definitionen für alle Register, damit man sie mit Namen statt über Hexadezimal-Codes ansprechen kann. Außerdem enthält die CMSIS eine kleine Menge Hilfsfunktionen, um den ARM Kern zu konfigurieren. Die CMSIS ist von ARM spezifiziert und wird von allen Chip Herstellern in spezifischen Varianten bereit gestellt.

Bei der Cube HAL handelt es sich um ein Framework, das den Zugriff auf die Hardware-Funktionen der STM32 Mikrocontroller durch Abstraktion erleichtern soll. Dazu bietet der Hersteller Erweiterungen für RTOS (Real Time Operating System), USB, TCP/IP, Filesysteme usw. an, allerdings nicht alle kostenlos. Dazu gehört das Programm CubeMX, mit dem man sich HAL-basierte Projekte einschließlich Initialisierungs-Routine für I/O Pins und Takterzeugung zusammen klickt. Die Cube HAL basiert auf und enthält die CMSIS Library.

Man sollte bedenken, dass Cube HAL ausschließlich auf STM32 Controllern läuft. Jeder Chip Hersteller kocht hier sein eigenes Süppchen und Frameworks dieser Art sind erfahrungsgemäß recht kurzlebig. Unabhängig davon halte ich auch sonst nicht viel von der Cube HAL. Denn mann muss das Referenzhandbuch ohnehin lesen, um den Chip richtig zu benutzen. Wenn man das getan hat, kennt man alle Register und Bits mit Namen. Warum sollte man einen Abstraktions-Layer darüber legen, der den selben Einstellungen neue Namen gibt und die Zusammenhänge zwischen den Registern verschleiert? Die HAL macht das Programm weder übersichtlicher noch vom konkreten Mikrocontroller-Modell unabhängig. Das wurde bei Arduino deutlich besser gemacht.

Die Standard Peripheral Library (SPL, StdPeriphLib) ist eine veraltete Hardware Abstraktion, die immer noch in vielen Beispielen im Internet verwendet wird. Sie basiert ebenfalls auf CMSIS und war im Zeitraum von 2009 bis 2015 aktuell. Laut Hersteller soll man die SPL nicht mehr verwenden.

Projekt auf Basis von CMSIS erzeugen

1. Lege mit dem Assistenten der IDE das eigentliche Arbeitsprojekt mit der Option "No Firmware" an.
2. Kopiere das ganze CMSIS Verzeichnis aus diesem Beispielprojekt in dein Arbeitsprojekt.
3. Füge die beiden Verzeichnisse (CMSIS/core und CMSIS/device) zur Projektkonfiguration hinzu. Das geht so: Rechte Maustaste auf den Projektnamen, dann Properties/C/C++ Build/Settings/Tool Settings/MCU GCC Compiler/Includes/Include paths.
4. In der Datei stm32f1xx.h habe ich unter dem Kommentar "Uncomment the line below according to the target STM32 device" (ungefähr Zeile 90) die zu meinem Mikrocontroller passende Zeile #define STM32F103xB aktiviert.

#include <stdint.h>
#include "stm32f1xx.h"

// delay loop for default 8MHz clock with optimizer enabled
void delay(uint16_t msec)
{
    for (uint32_t j=0; j<2000*msec; j++)
    {
        __NOP ();
    }
}

int main(void)
{
    // Enable Port A and C
    SET_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_IOPAEN);
    SET_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_IOPCEN);

    // PA5 and PC13 = Output
    MODIFY_REG(GPIOA->CRL, GPIO_CRL_CNF5  + GPIO_CRL_MODE5,  GPIO_CRL_MODE5_0);
    MODIFY_REG(GPIOC->CRH, GPIO_CRH_CNF13 + GPIO_CRH_MODE13, GPIO_CRH_MODE13_0);

    while(1)
    {
        // Set PA5 and PC13 to HIGH
        WRITE_REG(GPIOA->BSRR, GPIO_BSRR_BS5);
        WRITE_REG(GPIOC->BSRR, GPIO_BSRR_BS13);
        delay(500);

        // Reset PA5 and PC13 to LOW
        WRITE_REG(GPIOA->BSRR, GPIO_BSRR_BR5);
        WRITE_REG(GPIOC->BSRR, GPIO_BSRR_BR13);
        delay(500);
    }
}

Die Delays realisiert man besser mit einem Timer. Ich wollte hier jedoch ein möglichst simples Programmbeispiel zeigen.

GCC Optionen

Newlib

Wenn das Programm die stdio.h Library benutzt, muss man entweder einige Funktionen zum Zugriff auf die Konsole implementieren oder durch die Option -specs=nosys.specs auf Dummy Funktionen zurückgreifen.

Wenn man Fließkommazahlen ausgeben möchte, muss man bei der newlib-nano zusätzlich die Option -u _printf_float angeben. Das kostet zusätzlich rund 9kB Flash Speicher. Für das Parsen von Fließkommazahlen benötigt man die Option -u _scanf_float.

Ich habe gemessen, wie viel Speicher die Funktionen puts() und printf() ohne Fließkomma-Unterstützung benötigen:

Der Speicherbedarf von printf() ist unabhängig von der Anzahl der Argumente und Formatier-Optionen. Wenn weniger als 1468 Bytes Heap zur Verfügung stehen, belegt die Library stattdessen nur 436 Bytes und gibt dann jedes Zeichen einzeln mit _write() aus. Wenn weniger als 436 Bytes Heap zur Verfügung stehen, dann brechen die Funktionen mit einer HardFault Exception ab.

Assembler Listing

Du findest dann für jede Quell-Datei eine *.lst Datei im Verzeichnis Debug oder Release.

Optimizer

Optimierter Code stimmt stellenweise nicht mehr mit dem C-Quelltext überein, was die Benutzung des Debuggers beeinträchtigt. Zum Beispiel kann der Debugger nur Variablen anzeigen, die eine Adresse im RAM haben, aber der Optimizer bevorzugt CPU Register für Variablen. Unter Umständen entfernt der Optimizer ganze Prozeduren und ersetzt sie durch anderen (inline) Code. Wiederholschleifen werden teilweise durch eine längere Sequenz von Code ersetzt, wenn dadurch die Performance besser wird.

Die Vollständige Liste der Optimierungen befindet sich hier.

Programmier- und Debug-Schnittstellen

Boot Modi

Der fest eingebaute Bootloader ermöglicht Zugriff auf den Flash Speicher, das RAM und die Option Bytes über den seriellen Anschluss USART1 (bei den großen Modellen auch USB und CAN). Der Bootloader kann weder gelöscht noch verändert werden.

Um den Bootloader auf dem µC zu aktivieren, setzt man Boot0=High und Boot1=Low. Dann drückt man den Reset Knopf.

Serieller Bootloader

Folgende Verbindungen sind nötig:

Als Taktquelle dient der interne R/C Oszillator, dessen Frequenz bei 3,3V und Zimmertemperatur meistens ausreichend genau ist. Der Bootloader erkennt die Baudrate automatisch, es werden 8 Datenbits und gerade Parität (even) verwendet.

Bei niedriger Übertragungsrate (bis 115200 Baud) verwende ich gerne 1kΩ Schutzwiderstände in den beiden Signal-Leitungen.

USB Bootloader

Chips mit Date-Code älter als 937 haben laut AN2606 gewisse Einschränkungen. Ich habe den fest eingebauten USB Bootloader noch nicht ausprobiert.

Im Arduino Umfeld gibt es für einige STM32F103 Boards den STM32duino Bootloader, der das Programmieren über USB ermöglicht. Dieser kann aber nur mit der Arduino Software verwendet werden.

SWJ Schnittstelle

Die SWJ Schnittstelle ist während und nach einem Reset standardmäßig aktiviert, kann jedoch per Software deaktiviert werden. Sie unterstützt zwei Übertragunsprotokolle, nämlich JTAG und SWD. Das neuere SWD Protokoll wird bevorzugt, da es weniger Leitungen benötigt.

ST-Link Adapter

Den ST-Link Adapter vom Nucleo-64 Board kann man abtrennen, um damit andere Mikrocontroller zu programmieren. Oder man zieht die beiden Jumper ab, wodurch die Leitungen SWCLK und SWDIO unterbrochen werden.

Er ist folgendermaßen mit dem Mikrocontroller verbunden:

SWCLK, GND und SWDIO müssen auf jeden Fall mit dem Mikrocontroller verbunden werden. Wenn NRST nicht verbunden ist, braucht man einen Reset-Knopf, der beim Start des Programmiervorgangs gedrückt wird. Siehe auch Debuggen ohne NRST.

Die optionale SWO (auch TRACESWO oder SWV genannte) Leitung kann zur Ausgabe von Trace Meldungen verwendet werden.

Das Programm "STM32 Cube Programmer" verlangt nach einem Firmware-Update, was auf beiden Adaptern problemlos klappt. Die anderen Programme sind hingegen auch mit älteren Firmware Versionen zufrieden.

Bei dem chinesischen Produkt soll man die Rückseite der inneren Platine mit Isolierband abdecken, damit kein Kurzschluss zum Aluminium-Gehäuse entsteht. Sein Reset-Ausgang funktioniert nur bei STM8. Außerdem vermisse ich einen SWO Anschluss, aber wer eine ruhige Hand hat, kann die Leitung direkt an den Chip löten:

Zwei dieser verbesserten Adapter verkaufe ich privat für jeweils 8 Euro.

SWJ Deaktivieren

// Enable clock for alternate functions
SET_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_AFIOEN);
    
// Disable both SWD and JTAG to free PA13, PA14, PA15, PB3 and PB4
MODIFY_REG(AFIO->MAPR, AFIO_MAPR_SWJ_CFG, AFIO_MAPR_SWJ_CFG_DISABLE); 

or:

// Disable JTAG only to free PA15, PB3* and PB4. SWD remains active
MODIFY_REG(AFIO->MAPR, AFIO_MAPR_SWJ_CFG, AFIO_MAPR_SWJ_CFG_JTAGDISABLE); 

Debuggen ohne NRST

• Hardware Reset: Der Debugger baut die Verbindung sofort nach dem Reset-Impuls auf. Funktioniert nicht immer, wenn das Programm direkt am Anfang die SWD Schnittstelle deaktiviert oder einen Schlafmodus aktiviert.
• Connect Under Reset: Der Debugger baut die Verbindung während des Reset-Impuls auf. Funktioniert immer.
• Software System Reset: Über die SWJ Schnittstelle wird ein Reset-Kommando ausgeführt. Benötigt keinen Hardware-Reset. Funktioniert nicht, wenn das Programm die Schnittstelle deaktiviert oder einen Schlafmodus aktiviert hat.

Normalerweise benutzt der Debugger die Option "Hardware Reset". Wenn die NRST Leitung nicht verbunden ist, muss man eine der beiden anderen Optionen verwenden. Für einen manuellen Reset per Taster eignet sich die Option "Connect Under Reset" am besten.

Um dort hin zu kommen soll man den Debugger wenigstens einmal durch Klick auf den grünen Käfer gestartet haben, damit die IDE eine initiale Debug-Konfiguration anlegt. Gehe dann mit der rechten Maustaste auf das Projekt, dann auf Debug As/Debug Configurations.... Gehe in dem folgenden Dialog in den Debugger Tab und klicke dort auf den Knopf Show generator options... um die folgende Ansicht zu erhalten:

Dort kannst du die Reset-Methode wie gewünscht einstellen.

Trace Meldungen ausgeben

SWO wird mit dem ST-Link Adapter aktiviert und konfiguriert. Dann ist PB3 vorübergehend ein Ausgang mit Ruhe-Pegel High. Während der seriellen Datenübertragung liefert er Low-Impulse. Wenn man später die Verbindung des Debuggers schließt, arbeitet der Anschluss wieder als normaler programmierbarer I/O Pin.

Die CMSIS Funktion ITM_SendChar() gibt ein Zeichen auf der SWO Leitung aus. ITM bedeutet "Instrumentation Trace Message":

#include <stdio.h>
#include "stm32f1xx.h"

// delay loop for default 8MHz clock with optimizer enabled
void delay(uint16_t msec)
{
    for (uint32_t j=0; j<2000*msec; j++)
    {
        __NOP ();
    }
}

// Output a trace message
void ITM_SendString(char *ptr)
{
    while (*ptr)
    {
        ITM_SendChar(*ptr);
        ptr++;
    }
}

int main(void)
{
    while (1)
    {
        ITM_SendString("Hello World!\n");
        delay(500);
    }
}

Die System Workbench kann diese Meldungen nicht anzeigen, aber man kann den Debugger so konfigurieren, dass er sie in eine Datei schreibt. Das geht so:

Zuerst musst du das Projekt einmal debuggen (auf den grünen Käfer klicken), damit die IDE ein "Configuration Script" anlegt. Danach klicke mit der rechten Maustaste auf das Projekt, dann auf Debug As/Debug Configurations.... Gehe in dem folgenden Dialog in den Debugger Tab und stelle auf ein User defined configuration script um. Dann schließe den Dialog mit dem Button "Close":

Nun öffne dieses "Configuration Script" im Texteditor und hänge zwei Zeilen an:

tpiu config internal debug.txt uart off 8000000
itm port 0 on

Bei der nächsten debug Sitzung werden die Trace Meldungen dann in die Datei debug.txt (im Hauptverzeichnis des Projektes) geschrieben. Die Datei enthält zwischen den Buchstaben nicht darstellbare Steuerzeichen. Zur forlaufenden Anzeige benutze ich den Befehl tail -f debug.txt in einem CygWin Fenster:

Unter Linux benutze ich den Befehl: tail -f debug.txt | tr -dc '[:print:]\n'

Man kann die Schnittstelle auch so konfigurieren, dass sie die Meldungen im gleichen Format ausgibt, wie ein normaler serieller Port:

monitor tpiu config external uart off 8000000 2000000
itm port 0 on

Außerhalb einer Debugger-Sitzung kann man das ST-Link Utility mit einem ST-Link Adapter zur Anzeige benutzen, und zwar über dem Menüpunkt ST-LINK/Printf via SWO Viewer. Stelle die richtige Taktfrequenz ein und klicke dann auf Start.

Startup-Code

Falls vorhanden, führt der Startup-Code eine Funktion mit folgender Signatur aus, bevor statische Objekte konstruiert werden und bevor main() ausgeführt wird:

void SystemInit(void) {}

Taktgeber

Die Taktsignale für den ARM Kern (dazu gehört auch der SysTick Timer), sowie RAM und Flash sind automatisch aktiviert. Alle anderen Komponenten muss man ggf. selbst einschalten, was ganz einfach durch Setzen von Bits in den Registern RCC->APB1ENR, RCC->APB2ENR und RCC->AHBENR erledigt wird.

Jetzt kommt der komplizierte Teil. Der System-Takt (SYSCLK) kann aus folgenden Quellen bezogen werden:

• HSI Interner 8 MHz R/C Oszillator, auf 1% kalibriert (bei 3,3V und 25°C)
• HSE Externe Quelle oder Oszillator mit 4-16 MHz Quarz oder Keramik Resonator

Für Watchog und Echtzeit-Uhr (RTC) sind weitere Quellen vorgesehen:

• LSI Ist ein interner R/C Oszillator mit ungefähr 40 kHz für den Watchdog, recht ungenau (30-60kHz)
• LSE Ist ein Quarz-Oszillator für die Echtzeituhr

Das folgende Bild zeigt die Standardvorgabe vom STM32F100, STM32F101, STM32F102 und STM32F103 nach einem Reset:

Bei den Modellen STM32F105 und STM32F107 ist es im unteren Bereich etwas komplexer:

Achtung, kleiner Fallstrick: PLLMUL kann bei den Modellen STM32F100 bis 103 auf 2 bis 16 gestellt werden, aber bei den Modellen STM32F105 und STM32F107 nur auf 4 bis 9.

Wenn man den Systemtakt über 24 MHz erhöht, muss man für den Flash Speicher 1 Wait-State einstellen. Bei mehr als 48MHz sind 2 Wait-States nötig. Bei mehr als 36MHz ist außerdem ein Vorteiler für den internen APB1 Bus (auch low-speed I/O genannt) einzustellen.

Beispiel für 64 MHz mit dem internen HSI Oszillator (nicht für STM32F105, STM32F107):

// The current clock frequency
uint32_t SystemCoreClock=8000000;

// Change system clock to 64MHz using 8MHz crystal
// Called by Assembler startup code
void SystemInit(void)
{
    // Flash latency 2 wait states
    MODIFY_REG(FLASH->ACR, FLASH_ACR_LATENCY, FLASH_ACR_LATENCY_1);

    // 64MHz using the 8MHz/2 HSI oscillator with 16x PLL, lowspeed I/O runs at 32MHz
    WRITE_REG(RCC->CFGR, RCC_CFGR_PLLMULL16 + RCC_CFGR_PPRE1_DIV2);

    // Enable PLL
    SET_BIT(RCC->CR, RCC_CR_PLLON);

    // Wait until PLL is ready
    while(!READ_BIT(RCC->CR, RCC_CR_PLLRDY)) {}

    // Select PLL as clock source
    MODIFY_REG(RCC->CFGR, RCC_CFGR_SW, RCC_CFGR_SW_PLL);

    // Update variable
    SystemCoreClock=64000000;
}

Durch die Angabe __attribute__((section(".data"))) könnte man Funktionen etwas schneller aus dem RAM ausführen, da dieser ohne Waitstates arbeitet.

Beispiel für 48MHz mit einem 8MHz Quarz (HSE Oszillator):

// The current clock frequency
uint32_t SystemCoreClock=8000000;

// Change system clock to 48MHz using 8MHz crystal
// Called by Assembler startup code
void SystemInit(void)
{
    // Flash latency 1 wait state
    MODIFY_REG(FLASH->ACR, FLASH_ACR_LATENCY, FLASH_ACR_LATENCY_0);
    
    // Enable HSE oscillator
    SET_BIT(RCC->CR, RCC_CR_HSEON);

    // Wait until HSE oscillator is ready
    while(!READ_BIT(RCC->CR, RCC_CR_HSERDY)) {}

    // 48MHz using the 8MHz HSE oscillator with 6x PLL, lowspeed I/O runs at 24MHz
    WRITE_REG(RCC->CFGR, RCC_CFGR_PLLSRC + RCC_CFGR_PLLMULL6 + RCC_CFGR_PPRE1_DIV2);

    // Enable PLL
    SET_BIT(RCC->CR, RCC_CR_PLLON);

    // Wait until PLL is ready
    while(!READ_BIT(RCC->CR, RCC_CR_PLLRDY)) {}

    // Select PLL as clock source
    MODIFY_REG(RCC->CFGR, RCC_CFGR_SW, RCC_CFGR_SW_PLL);

    // Update variable
    SystemCoreClock=48000000;
}

Beispiel für 72MHz mit einem 8MHz Quarz (HSE Oszillator):

// The current clock frequency
uint32_t SystemCoreClock=8000000;

// Change system clock to 72MHz using 8MHz crystal
// Called by Assembler startup code
void SystemInit(void)
{
    // Flash latency 2 wait states
    MODIFY_REG(FLASH->ACR, FLASH_ACR_LATENCY, FLASH_ACR_LATENCY_1);

    // Enable HSE oscillator
    SET_BIT(RCC->CR, RCC_CR_HSEON);

    // Wait until HSE oscillator is ready
    while(!READ_BIT(RCC->CR, RCC_CR_HSERDY)) {}

    // 72MHz using the 8MHz HSE oscillator with 9x PLL, lowspeed I/O runs at 36MHz
    WRITE_REG(RCC->CFGR, RCC_CFGR_PLLSRC + RCC_CFGR_PLLMULL9 + RCC_CFGR_PPRE1_DIV2);

    // Enable PLL
    SET_BIT(RCC->CR, RCC_CR_PLLON);

    // Wait until PLL is ready
    while(!READ_BIT(RCC->CR, RCC_CR_PLLRDY)) {}

    // Select PLL as clock source
    MODIFY_REG(RCC->CFGR, RCC_CFGR_SW, RCC_CFGR_SW_PLL);

    // Update variable
    SystemCoreClock=72000000;
}

Speicher-Struktur

Die Befehle sind teilweise 16bit und teilweise 32bit groß.

Daten werden als 8, 16 oder 32bit geladen. Sie müssen nicht zwingend an der 32bit Wortgröße ausgerichtet sein. Aber man erreicht bessere Performance, wenn 16bit Daten an 16bit Adressen und 32bit Daten an 32bit Adressen ausgerichtet sind. Der Compiler kümmert sich automatisch darum.

Bei Funktionsaufrufen werden bis zu 4 Parameter durch Register übergeben. Dabei ist es vorteilhaft, sie als 32bit Typ zu deklarieren, um Konvertierungen zu vermeiden. Bei mehr als 4 Parametern wird das RAM zur Übergabe benutzt, dann sind 8bit, 16bit und 32bit Typen gleich langsam.

Der Rückgabewert einer Funktion wird ebenfalls in einem Register übermittelt und sollte daher 32bit groß sein, falls Performance wichtig ist.

Die Register für I/O Funktionen sind fast alle 16 Bit breit.

Stack

Es gibt zwei Stapelzeiger MSP und PSP, zwischen denen man umschalten kann. Der Prozessor startet mit dem MSP, welcher durch das erste Wort in der Interrupt-Vektor Tabelle (an Adresse 0) initialisiert wird. Der alternative Stapelzeiger PSP wird von Betriebssystemen genutzt, um den Programmen separate Stapel zuzuweisen. Unter dem Namen SP spricht man immer den Stapelzeiger an, der durch das SPEL Bit im CONTROL Register ausgewählt wurde (0=MSP (default), 1=PSP).

Relevante C Funktionen:

• __get_MSP()
• __set_MSP(addr)
• __get_PSP()
• __set_PSP(addr)
• __get_CONTROL()
• __set_CONTROL(value)

Interrupt Vektoren

Jeder Eintrag in der Tabelle ist eine 32bit Sprungadresse. Bei allen Sprungadressen muss das Bit 0 gesetzt sein, es wird aber immer an die Adresse davor gesprungen. Der Wert 0x00001001 führt zu einem Sprung nach Adresse 0x00001000. Der Compiler kümmert sich automatisch darum.

Die folgende Tabelle gilt für alle STM32F100 bis 103 mit maximal 512kB Flash. Für die größeren Modelle siehe STM32F1 Reference Manual Kapitel: Interrupt and exception vectors.

Über das VTOR Register kann man den Ort der Vektortabelle verändern und sie z.B. ins RAM verschieben.

Reset, NMI und HardFault haben stets die allerhöchste Priorität. Bei allen anderen Interrupts kann man die Priorität einstellen. Interrupt-Handler können nur durch höher priorisierte Interrupts unterbrochen werden.

Die wichtigsten CMSIS Funktionen zur Konfiguration des Interrupt-Controllers sind:

• NVIC_EnableIRQ(CMSIS Interrupt Nr) Erlaube Hardware Interrupt
• NVIC_DisableIRQ(CMSIS Interrupt Nr) Sperre Hardware Interrupt
• NVIC_SetPriority(CMSIS Interrupt Nr, Priorität) Stelle die Priorität ein (0=höchste, 15=niedrigste)
• NVIC_SystemReset() Löse einen System Reset aus
• __enable_irq() Erlaube alle Interrupts
• __disable_irq() Sperre alle Interrupts

SysTick Timer

#include <stdint.h>
#include "stm32f1xx.h"

// The current clock frequency
uint32_t SystemCoreClock=8000000;

// Counts milliseconds
volatile uint32_t systick_count=0;

// Interrupt handler
void SysTick_Handler(void)
{
    systick_count++;
}

int main(void)
{
    // Initialize the timer for 1ms intervals
    SysTick_Config(SystemCoreClock/1000);
    
    // Delay 2 seconds
    uint32_t start=systick_count;
    while (systick_count-start<2000);    
    ...
}

Digitale Pins

Bevor man einen Pin als Ausgang verwendet, muss man ihn im Register GPIOx->CRL (für Pin 0-7) oder GPIOx->CRH (für Pin 8-15) konfigurieren. Hierbei wird zwischen normaler Ausgabe und alternativen Funktionen (wie z.B. serieller Port oder PWM Timer) unterschieden.

Für jeden Ausgang kann man die maximale frequenz auf 2, 10 oder 50 MHz einstellen. Damit beeinflusst man die Geschwindigkeit, mit der die Spannung von Low nach High (und zurück) wechselt. Der maximale Laststrom wird dadurch nicht verändert. Im Sinne von elektromagentischer Verträglichkeit soll man hier immer den niedrigsten Wert einstellen, der zur Anwendung passt.

Direkte Schreibzugriffe sind über das Register GPIOx->ODR möglich. Um einzelne Pins atomar auf High oder Low zu schalten, verwendet man jedoch das GPIOx->BSRR Register.

Schaue Dir die Beschreibung der GPIO Register CRL, CRH, IDR, ODR und BSRR im Referenzhandbuch an.

Analoge Eingänge

Bevor man einen Pin als analogen Eingang verwendet, muss man ihn im Register GPIOx->CRL (für Pin 0-7) oder GPIOx->CRH (für Pin 8-15) konfigurieren. Zum Beispiel so für PA0:

    // Configure PA0 as analog input
    MODIFY_REG(GPIOA->CRL, GPIO_CRL_CNF0 + GPIO_CRL_MODE0, 0);

Initialisierung des ADC für einzelne Lesezugriffe:

// Initialize the ADC for single conversion mode
void init_analog()
{
    // Divide APB2 clock frequency by 8
    MODIFY_REG(RCC->CFGR, RCC_CFGR_ADCPRE, RCC_CFGR_ADCPRE_0 + RCC_CFGR_ADCPRE_1);
    
    // Enable Power for ADC
    SET_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_ADC1EN);

    // Switch the ADC on
    SET_BIT(ADC1->CR2, ADC_CR2_ADON);

    // Select software start trigger
    MODIFY_REG(ADC1->CR2, ADC_CR2_EXTSEL, ADC_CR2_EXTSEL_0 + ADC_CR2_EXTSEL_1 + ADC_CR2_EXTSEL_2);

    // Set sample time to 41.5 cycles
    MODIFY_REG(ADC1->SMPR2, ADC_SMPR2_SMP0, ADC_SMPR2_SMP0_2);

    // Delay 20 ms
    uint32_t start=systick_count;
    while (systick_count-start<20);

    // Start calibration
    SET_BIT(ADC1->CR2, ADC_CR2_ADON + ADC_CR2_CAL);

    // Wait until the calibration is finished
    while (READ_BIT(ADC1->CR2, ADC_CR2_CAL));
}

Lesen eines analogen Eingangs:

// Read from an analog input
uint16_t read_analog(int channel)
{
    // Select the channel
    MODIFY_REG(ADC1->SQR3, ADC_SQR3_SQ1, channel);

    // Clear the finish flag
    CLEAR_BIT(ADC1->SR, ADC_SR_EOC);

    // Start a conversion
    // These two bits must be set by individual commands!
    SET_BIT(ADC1->CR2, ADC_CR2_ADON);
    SET_BIT(ADC1->CR2, ADC_CR2_SWSTART);

    // Wait until the conversion is finished
    while (!READ_BIT(ADC1->SR, ADC_SR_EOC));

    // Return the lower 12 bits of the result
    return ADC1->DR & 0b111111111111;
}

Der ADC kann so konfiguriert werden, dass er mehrere Eingänge kontinuierlich liest. Mittels DMA können die Messergebnisse automatisch ins RAM übertragen werden. Dafür habe ich hier kein Beispiel parat.

PWM Ausgänge

Der Timer zählt fortlaufend von 0 an hoch bis zum Maximum, welches durch das TIMx->ARR Register festgelegt wird. Die Taktfrequenz wird vom Systemtakt abgeleitet und kann durch den ABP2 Prescaler (im Register RCC->CFGR) und den Timer Prescaler TIMx->PSC reduziert werden.

Für jeden Ausgang gibt es ein Vergleichs-Register TIMx->CCRy welches bestimmt, wie breit die Ausgangsimpulse sein sollen. Beim Extremwert 0 ist der Ausgang ständig Low. Bei Werten größer dem Maximum (in TIMx->ARR) ist der Ausgang ständig High.

Wenn also der Maximalwert als 50000 festgelegt wird, können die Ausgangsimpulse wahlweise 1 bis 50000 Takte breit sein. Mit der option "inverse polarity" im Register TIMx->CCER können die Ausgänge umgepolt werden, so dass sie im Low-Impule liefern.

Das folgende Beispielprogramm benutzt die Ausgänge von Timer 3 (PA6, PA7, PB0 und PB1), um dort vier angeschlossene Leuchtdioden unterschiedlich hell flimmern zu lassen:

#include "stm32f1xx.h"

void init_io()
{
    // Enable Port A, B and alternate functions
    SET_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_IOPAEN);
    SET_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_IOPBEN);
    SET_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_AFIOEN);

    // PA6 = Timer 3 channel 1 alternate function output
    MODIFY_REG(GPIOA->CRL, GPIO_CRL_CNF6 + GPIO_CRL_MODE6, GPIO_CRL_CNF6_1 + GPIO_CRL_MODE6_0);

    // PA7 = Timer 3 channel 2 alternate function output
    MODIFY_REG(GPIOA->CRL, GPIO_CRL_CNF7 + GPIO_CRL_MODE7, GPIO_CRL_CNF7_1 + GPIO_CRL_MODE7_0);

    // PB0 = Timer 3 channel 3 alternate function output
    MODIFY_REG(GPIOB->CRL, GPIO_CRL_CNF0 + GPIO_CRL_MODE0, GPIO_CRL_CNF0_1 + GPIO_CRL_MODE0_0);

    // PB1 = Timer 3 channel 4 alternate function output
    MODIFY_REG(GPIOB->CRL, GPIO_CRL_CNF1 + GPIO_CRL_MODE1, GPIO_CRL_CNF1_1 + GPIO_CRL_MODE1_0);
}

void init_timer3_for_pwm()
{
    // Enable timer 3
    SET_BIT(RCC->APB1ENR, RCC_APB1ENR_TIM3EN);

    // Timer 3 channel 1 compare mode = PWM1 with the required preload buffer enabled
    MODIFY_REG(TIM3->CCMR1, TIM_CCMR1_OC1M + TIM_CCMR1_OC1PE, 
        TIM_CCMR1_OC1M_2 + TIM_CCMR1_OC1M_1 + TIM_CCMR1_OC1PE);

    // Timer 3 channel 2 compare mode=PWM1 with the required preload buffer enabled
    MODIFY_REG(TIM3->CCMR1, TIM_CCMR1_OC2M + TIM_CCMR1_OC2PE, 
        TIM_CCMR1_OC2M_2 + TIM_CCMR1_OC2M_1 + TIM_CCMR1_OC2PE);

    // Timer 3 channel 3 compare mode = PWM1 with the required preload buffer enabled
    MODIFY_REG(TIM3->CCMR2, TIM_CCMR2_OC3M + TIM_CCMR1_OC1PE, 
        TIM_CCMR2_OC3M_2 + TIM_CCMR2_OC3M_1 + TIM_CCMR1_OC1PE);

    // Timer 3 channel 4 compare mode = PWM1 with the required preload buffer enabled
    MODIFY_REG(TIM3->CCMR2, TIM_CCMR2_OC4M + TIM_CCMR1_OC1PE, 
       TIM_CCMR2_OC4M_2 + TIM_CCMR2_OC4M_1 + TIM_CCMR1_OC1PE);

    // Timer 3 enable all four compare outputs
    SET_BIT(TIM3->CCER, TIM_CCER_CC1E + TIM_CCER_CC2E + TIM_CCER_CC3E + TIM_CCER_CC4E);

    // Timer 3 inverse polarity for all four compare outputs
    // SET_BIT(TIM3->CCER, TIM_CCER_CC1P + TIM_CCER_CC2P + TIM_CCER_CC3P + TIM_CCER_CC4P);

    // Timer 3 auto reload register, defines the maximum value of the counter in PWM mode.
    TIM3->ARR = 50000;

    // Timer 3 clock prescaler, the APB2 clock is divided by this value +1.
    TIM3->PSC = 0; // divide clock by 1 --> 160 pulses per second at 8Mhz

    // Timer 3 enable counter and auto-preload
    SET_BIT(TIM3->CR1, TIM_CR1_CEN + TIM_CR1_ARPE);
}

int main(void)
{
    init_io();
    init_timer3_for_pwm();

    // set PWM pulse width of all four outputs
    TIM3->CCR1 = 40;
    TIM3->CCR2 = 400;
    TIM3->CCR3 = 4000;
    TIM3->CCR4 = 40000; 
}

Die Timer 1 und 8 können komplementäre Ausgangssignale mit Tot-Zeit erzeugen, was für den Eigenbau von H-Brücken nützlich sein kann. Allerdings kollidieren die Ausgänge vom Timer 1 teilweise mit dem USB Port und der Timer 8 existiert nur bei den größeren High und XL Density Modellen.

Ich möchte darauf hinweisen, dass die Timer noch viele weitere Funktionen haben, die ich hier gar nicht alle zeigen kann.

Echtzeituhr

Nach einem Stromausfall ohne bzw. mit leerer Batterie werden die Zähler automatisch auf 0 gesetzt und die Uhr angehalten.

Neben der Uhr enthält die batteriegepufferte Einheit auch 10 so genannte Backup Register (mit je 16bit Breite) wo man an Daten ablegen kann. Das letzte Backup Register Nr. 9 ist für den Bootloader reserviert.

Der LSE Oszillator nutzt nur sehr wenig Energie und ist daher bei falscher Beschaltung störanfällig. Die Leitungen zum sorgfältig ausgewählten Quarz sollen so kurz wie möglich sein und die Kapazitäten müssen genau berechnet werden.

Der Anschluss PC13 wird ebenfalls durch den Low-Power Schaltkreis der RTC versorgt, also auch durch die Backup Batterie. Er soll daher nur mit niedriger Frequenz geschaltet werden und bei High Pegel nicht belastet werden.

RTC Initialisieren

#include "stm32f1xx.h"

void initRtc()
{
    // Enable the backup domain
    SET_BIT(RCC->APB1ENR, RCC_APB1ENR_BKPEN + RCC_APB1ENR_PWREN);

    // Enable write access to the backup domain
    SET_BIT(PWR->CR, PWR_CR_DBP);

    // Enable LSE oscillator
    SET_BIT(RCC->BDCR, RCC_BDCR_LSEON);

    // Wait until LSE oscillator is ready
    while(!READ_BIT(RCC->BDCR, RCC_BDCR_LSERDY)) {}

    // Select LSE as clock source for the RTC
    MODIFY_REG(RCC->BDCR, RCC_BDCR_RTCSEL, RCC_BDCR_RTCSEL_LSE);

    // Enable the RTC
    SET_BIT(RCC->BDCR, RCC_BDCR_RTCEN);

    // Wait until RTC is synchronized
    while(!READ_BIT(RTC->CRL, RTC_CRL_RSF)) {}

    // Wait until last write operation is done
    while(!READ_BIT(RTC->CRL, RTC_CRL_RTOFF)) {}

    // Enable second interrupt
    SET_BIT(RTC->CRH,RTC_CRH_SECIE);

    // Wait until last write operation is done
    while(!READ_BIT(RTC->CRL, RTC_CRL_RTOFF)) {}

    // Enter configuration mode
    SET_BIT(RTC->CRL,RTC_CRL_CNF);

    // Divide oscillator frequency by 32767+1 to get seconds
    RTC->PRLL=32767;
    RTC->PRLH=0;

    // Leave configuration mode
    CLEAR_BIT(RTC->CRL,RTC_CRL_CNF);

    // Wait until last write operation is done
    while(!READ_BIT(RTC->CRL, RTC_CRL_RTOFF)) {}

    // Enable interrupt in NVIC
    NVIC_EnableIRQ(3);
    __enable_irq();
}

void init_io()
{
    // Enable Port A
    SET_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_IOPAEN);

    // PA5 = Output
    MODIFY_REG(GPIOA->CRL, GPIO_CRL_CNF5 + GPIO_CRL_MODE5, GPIO_CRL_MODE5_0);
}

void RTC_Handler(void)
{
    // Toggle LED
    GPIOA->ODR ^= GPIO_ODR_ODR5;

    // Clear interrupt flag
    CLEAR_BIT(RTC->CRL,RTC_CRL_SECF);
}

int main(void)
{
    init_io();
    initRtc();
    while(1){};
}

In der Interrupt-Vektor Tabelle in startup/startup_stm32.s muss ein Eintrag für den "RTC_Handler" hinzugefügt werden, falls nicht vorhanden.

RTC lesen

uint32_t read_rtc()
{
    // Wait until RTC is synchronized
    while(!READ_BIT(RTC->CRL, RTC_CRL_RSF)) {}

    // Repeat until got the same value 2 times.
    uint32_t old=0;
    uint32_t new=0;
    do
    {
        old=new;
        new = (((uint32_t) RTC->CNTH) << 16) | ((uint32_t)RTC->CNTL);        
    }
    while (old != new);
    return new;
}

RTC beschreiben

void update_rtc(uint32_t seconds)
{
    // Wait until last write operation is done
    while(!READ_BIT(RTC->CRL, RTC_CRL_RTOFF)) {}

    // Enter configuration mode
    SET_BIT(RTC->CRL,RTC_CRL_CNF);

    RTC->CNTH = (uint16_t)(seconds >> 16);
    RTC->CNTL = (uint16_t)(seconds & 0xFFFF);

    // Leave configuration mode
    CLEAR_BIT(RTC->CRL,RTC_CRL_CNF);

    // Wait until last write operation is done
    while(!READ_BIT(RTC->CRL, RTC_CRL_RTOFF)) {}
}

RTC Kalibrieren

Um die Uhr ohne teure Messinstrumente grob zu kalibrieren lässt man sie einige Tage lang laufen und ermittelt dabei ihre Abweichung von der soll-Geschwindigkeit durch Vergleich mit einem präzisen Zeitserver.

Dann verringert man ggf. den Vorteiler RTC->PRLL so weit, dass die Uhr gerade eben etwas zu schnell läuft. Jede Verringerung um 1 macht die Uhr 2,637 Sekunden pro Tag schneller. Anschließend stellt man im Register BKP->RTCCR einen Korrekturwert (0-127) ein, wobei jede Stufe die Uhr um 0,082s pro Tag verlangsamt.

Wenn die Uhr zum Beispiel extreme 4 Sekunden pro Tag zu langsam wäre, würde man den Vorteiler um 2 verringern und dann den Korrekturwert auf 15 stellen:

Vorteiler:          2 * +2,637 = +5,274 Sekunden  (also RTC->PRLL = 32767 - 2)
Korrekturwert:     15 * -0,082 = -1,230 Sekunden  (also BKP->RTCCR = 15)
================================================
Summe:                           +4,044 Sekunden

USART Schnittstelle

Das folgende Beispielprogramm gibt "Hello World!" auf USART2 aus und schickt danach alle empfangenen Zeichen als echo an den PC zurück. Das Senden findet hier direkt statt (ggf. mit Warteschleife) während der Empfang interrupt-gesteuert stattfindet:

#include <stdio.h>
#include "stm32f1xx.h"

uint32_t SystemCoreClock=8000000;

// Redirect standard output to the serial port
int _write(int file, char *ptr, int len)
{
    for (int i=0; i<len; i++)
    {
        while(!(USART2->SR & USART_SR_TXE));
        USART2->DR = *ptr++;
    }
    return len;
}

// called after each received character
void USART2_IRQHandler(void)
{
    char received=USART2->DR;

    // send echo back
    while(!(USART2->SR & USART_SR_TXE));
    USART2->DR = received;
}

int main(void)
{
    // Enable clock for Port A and USART2
    SET_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_IOPAEN);
    SET_BIT(RCC->APB1ENR, RCC_APB1ENR_USART2EN);

    // PA2 (TxD) shall use the alternate function with push-pull
    MODIFY_REG(GPIOA->CRL, GPIO_CRL_CNF2 + GPIO_CRL_MODE2, GPIO_CRL_CNF2_1 + GPIO_CRL_MODE2_1);

    // Enable transmitter, receiver and receive-interrupt of USART2
    USART2->CR1 = USART_CR1_UE + USART_CR1_TE + USART_CR1_RE + USART_CR1_RXNEIE;

    // Set baudrate
    USART2->BRR = (SystemCoreClock / 115200);

    // Enable interrupt in NVIC
    NVIC_EnableIRQ(38);
    __enable_irq();

    printf("Hello World!\n");
    while (1) {};
}

Bei der Ausgabe von Text mit printf() und putchar() ist zu Beachten, dass die newlib Library die Zeichen in einem Puffer ansammelt, bis dieser entweder voll ist oder ein Zeilenumbruch erfolgt. Mit fflush(stdout) kann man erzwingen, dass die Ausgabe sofort erfolgt.

USB Schnittstelle

USB und CAN schließen sich gegenseitig aus, man kann nur eine davon gleichzeitig nutzen.

Der Systemtakt muss entweder 48MHz oder 72MHz betragen und aus einem Quarz gewonnen werden. Der USB Clock Prescaler muss je nach Modell und Systemtakt so eingestellt werden:

Die USB Buchse ist beim STM32F103 mit PB11 (D-) und PB12 (D+) verbunden. An D+ befindet sich ein 1,5kΩ Pull-Up Widerstand, welcher dem Host Computer signalisiert, dass ein Gerät angeschlossen wurde.

Manche Boards schalten den Widerstand durch einen Transistor. Dadurch kann man den Host Computer dazu bringen, das Gerät erneut zu erkennen, ohne das Kabel abstecken zu müssen. Beim "Maple Mini" Board schaltet PB9=High den Widerstand ein.

Beim "Blue Pill" Board ist dieser Widerstand fest mit 3,3V verbunden. Darum muss man bei diesem Board das USB Kabel nach jedem Firmware-Upload abstecken und wieder anschließen.

Virtueller COM-Port mit Cube HAL

Mit dem Programm CubeMX kann man sich ein Projekt mit USB Unterstützung zusammenklicken. Das geht so:

• Cube MX starten.
• Ein neues Projekt anlegen, dabei den richtigen Mikrocontroller einstellen.
• Im Reiter Pinout
  • Links die Option RCC/High Speed Clock (HSE): Crystal/Ceramic Resonator einstellen.
  • Unter SYS soll die Debug Option: Serial Wire und Timebase Source: SysTick gewählt werden.
  • Weiter unten die Option USB/Device (FS) einschalten.
  • Danach erscheint oben Links eine neue Option USB_DEVICE, wo die Variante Class for FS IP: Communication Device Class (Virtual Port COM) gewählt werden muss.
  • Suche Dir einen freien I/O Pin für die Status LED aus (bzw. nimm den Pin, der durch dein Board vorgegeben ist).
    • Klicke auf den Pin und wähle die Betriebsart GPIO Output.
    • Gib dem Pin den Namen "LED" (rechte Maustaste, Enter User Label).
• Im Reiter Clock Configuration kontrollieren, ob HSE als Quelle eingestellt wurde und mittels PLL auf 48MHz erhöht wird. Wenn dein Quarz nicht 8MHz hat, musst du das hier noch einstellen.
• Jetzt kannst du dein Projekt durch Klick auf das Zahnrad erzeugen und danach mit der System Workbench öffnen.

Um Text vom Mikrocontroller an den PC zu senden, füge im Quelltext von main.c folgendes zwischen die genannten Markierungen ein:

/* USER CODE BEGIN Includes */

#include "usbd_cdc_if.h"

/* USER CODE END Includes */

...

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

  /* USER CODE BEGIN 3 */

        // LED On
        HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port,LED_Pin,GPIO_PIN_RESET);
        HAL_Delay(500);

        // LED Off
        HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port,LED_Pin,GPIO_PIN_SET);
        HAL_Delay(500);

        // Send data
        char msg[]="Hallo!";
        CDC_Transmit_FS( (uint8_t*) msg, strlen(msg));

  }
  /* USER CODE END 3 */

Die LED blinkt im Sekundentakt. Starte ein Terminalprogramm (z.B. Hammer Terminal) und öffne den virtuellen COM-Port. Die Baudrate spielt keine Rolle. Du empfängst jetzt jede Sekunde den Text "Hallo!".

Diese Variante belegt etwa 13kB Flash und 4,5kB RAM.

Virtueller COM-Port ohne Cube HAL

Das Programm lässt die LED an Anschluss PC13 jede Sekunde aufblitzen und sendet dabei "Hello World!" über USB an den angeschlossenen Computer. Es belegt nur 6kB Flash und 1,7kB RAM. Davon dienen jeweils 256 Byte als Sendepuffer und als Empfangspuffer (kann man ändern).

#include <stdio.h>
#include "stm32f1xx.h"
#include "usb.h"

// The current clock frequency
uint32_t SystemCoreClock=8000000;

// Counts milliseconds
volatile uint32_t systick_count=0;

// Interrupt handler
void SysTick_Handler(void)
{
    systick_count++;
}

// Delay some milliseconds
void delay_ms(int ms)
{
    uint32_t start=systick_count;
    while (systick_count-start<ms);
}

// Change system clock to 48MHz using 8MHz crystal
// Called by Assembler startup code
void SystemInit(void)
{
    // Flash latency 1 wait state
    MODIFY_REG(FLASH->ACR, FLASH_ACR_LATENCY, FLASH_ACR_LATENCY_0);

    // Enable HSE oscillator
    SET_BIT(RCC->CR, RCC_CR_HSEON);

    // Wait until HSE oscillator is ready
    while(!READ_BIT(RCC->CR, RCC_CR_HSERDY)) {}

    // 48MHz using the 8MHz HSE oscillator with 6x PLL, lowspeed I/O runs at 24MHz
    WRITE_REG(RCC->CFGR, RCC_CFGR_PLLSRC + RCC_CFGR_PLLMULL6 + RCC_CFGR_PPRE1_DIV2);

    // Enable PLL
    SET_BIT(RCC->CR, RCC_CR_PLLON);

    // Wait until PLL is ready
    while(!READ_BIT(RCC->CR, RCC_CR_PLLRDY)) {}

    // Select PLL as clock source
    MODIFY_REG(RCC->CFGR, RCC_CFGR_SW, RCC_CFGR_SW_PLL);

    // Set USB prescaler to 1
    MODIFY_REG(RCC->CFGR, RCC_CFGR_USBPRE, RCC_CFGR_USBPRE);

    // Update variable
    SystemCoreClock=48000000;
}

void init_io()
{
    // Enable USB
    SET_BIT(RCC->APB1ENR, RCC_APB1ENR_USBEN);

    // Enable Port A, B and C
    SET_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_IOPAEN);
    SET_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_IOPBEN);
    SET_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_IOPCEN);

    // PC13 = Output for the LED
    MODIFY_REG(GPIOC->CRH, GPIO_CRH_CNF13 + GPIO_CRH_MODE13, GPIO_CRH_MODE13_0);
}

// Redirect standard output to the USB port
int _write(int file, char *ptr, int len)
{
    for (int i=0; i<len; i++)
    {
        UsbCharOut(*ptr++);
    }
    return len;
}

int main(void)
{
    init_io();
    UsbSetup();

    // Initialize system timer
    SysTick_Config(SystemCoreClock/1000);

    while (1)
    {
        // LED On
        WRITE_REG(GPIOC->BSRR,GPIO_BSRR_BR13);
        delay_ms(100);

        puts("Hello World!");

        // LED Off
        WRITE_REG(GPIOC->BSRR,GPIO_BSRR_BS13);
        delay_ms(1000);
    }
}

Nach der Initialisierung mittels UsbSetup() wird die Funktion UsbCharOut() benutzt, um einzelne Zeichen zu senden.

UsbSetup setzt voraus, dass Systemtakt und Anschluss bereits korrekt konfiguriert sind. Die entsprechenden Zeilen habe ich oben fett hervorgehoben. Außerdem muss man den Interrupt-Handler USB_LP_CAN_RX0_IRQHandler in die Datei startup/startup_stm32.s eintragen, fall noch nicht vorhanden.

Bei der Ausgabe von Text mit printf() und putchar() ist zu Beachten, dass die newlib Library die Zeichen in einem Puffer ansammelt, bis dieser entweder voll ist oder ein Zeilenumbruch erfolgt. Mit fflush(stdout) kann man erzwingen, dass die Ausgabe sofort erfolgt.

Für fortgeschrittene Programmierer hat Niklas Gürtler das USB-Tutorial mit STM32 im mikrocontroller.net Forum geschrieben. Er beschreibt dort detailliert, wie die USB Schnittstelle funktioniert. Sein Beispielprogramm implementiert einen dreifachen USB-UART Adapter in C++. Ich habe es hier für die System Workbench und das Blue-Pill Board angepasst. Funktioniert prima, verstanden habe ich den Code jedoch (noch) nicht.

Power Management

*) Wenn der WFI/WFE Sleep innerhalb einer Interruptroutine aktiviert wurde, kann er nur durch einen höher priorisierten Interrupt aufgeweckt werden. Wenn gerade ein Ereignis ansteht, während __WFE() augerufen wird, wird nur das Ereignis gelöscht und kein Sleep Modus aktiviert.

Durch Setzen von Bit 1 (SLEEPONEXIT) im Register SBC->SCR aktiviert man die "Sleep on exit" Funktion. Diese bewirkt, dass der Prozessor nach Abarbeitung jeder Interruptroutine automatisch in den WFI Sleep Modus geht.

Wenn im SBC->SCR Register das Bit 4 (SEVONPEND) gesetzt ist, löst ein anstehender Interrupt zugleich ein Ereignis aus, selbst wenn der Interrupt nicht freigeschaltet ist.

Arduino Umgebung

Installiere zuerst die aktuelle Arduino IDE. Danach muss man über Werkzeuge/Board/Boardverwalter die Unterstützung für Arduino SAM Boards hinzufügen, darin befindet der benötigte Compiler für ARM Cortex-M3 und M4 Mikrocontroller. Diese Erweiterung unterstützt nur das "Arduino Due" Board. Für weitere Boards installierst du jetzt noch die STM32 Erweiterung.

Damit erzeugte Sketche enthalten immer die Serial Klasse für den virtuellen COM Port, was etwa 14kB Flash und 2,8kB RAM belegt. Die echten seriellen Ports sind über die Klassen Serial1, Serial2 und Serial3 ansprechbar.

Arduino basiert leider nicht auf der CMSIS, daher heißen dort die Konstanten für die Register und Bitmasken etwas anders. Schau dazu ggf. in die Datei Arduino_STM32-master\STM32F1\system\libmaple\stm32f1\include\series\gpio.h.

Die Pins PA13, PA14, PA15, PB3 and PB4 sind standardmäßig für die Debug Schnittstelle reserviert. Das kann man so ändern:

void setup()
{
    // Disable both SWD and JTAG to free PA13, PA14, PA15, PB3 and PB4
    afio_cfg_debug_ports(AFIO_DEBUG_NONE);
    
    or:      
    
    // Disable JTAG only to free PA15, PB3 and PB4. SWD remains active
    afio_cfg_debug_ports(AFIO_DEBUG_SW_ONLY);
}

STM32duino Bootloader

Der dazugehörige Windows Treiber befindet sich in der STM32 Erweiterung im Verzeichnis Arduino_STM32-master\drivers\win\maple-dfu. Für Linux braucht man keinen Treiber.

Der Bootloader erscheint im Gerätemanager als "libusb-win32 devices/Maple DFU" und lässt die LED schnell blinken, solange er aktiv ist. Nach einer Sekunde startet er den installierten Sketch (falls vorhanden) wobei der Bootloader aus dem Windows Gerätemanager wieder verschwindet. Stattdessen erscheint dann der virtuelle COM-Port des Sketches.

Um den Bootloader zu aktivieren, drückt man den Reset-Knopf während die Arduino IDE versucht, den Sketch hochzuladen.

Außerhalb der Arduino IDE kann man den Bootloader mit dem Programm
Arduino_STM32-master\tools\win\dfu-util-0.9-win64\dfu-util.exe und
Arduino_STM32-master\tools\win\maple_upload.bat verwenden.

Virtueller COM-Port mit Arduino

void setup() 
{
    // PC13 is connected to the status LED
    pinMode(PC13, OUTPUT);
}

void loop() 
{
    digitalWrite(PC13, LOW);
    Serial.println("Tick");
    delay(500);

    digitalWrite(PC13, HIGH);
    Serial.println("Tack");
    delay(500);
}

Atollic TrueSTUDIO

Diese IDE basiert wie die System Workbench ebenfalls auf Eclipse, der GNU ARM Embedded Toolchain (gcc) und OpenOCD für's Debugging. Auch hier sind die Binaries teilweise in 64bit und teilweise in 32bit, so dass man unter Linux die "multiarch" Unterstützung aktivieren muss.

Das TrueSTUDIO kann Projekte importieren, die zuvor mit der System Workbench erstellt wurden. Sie werden dabei automatisch konvertiert.

Im Vergleich zur System Workbench sind mir nur wenige Unterschiede aufgefallen:

• Beim Anlegen neuer Projekte wird immer die veraltete StdPeriph Library eingebunden. Projekte ohne "Firmware" gibt es nicht.
• In dem Einstellungsdialog zum Compiler/Linker werden etwas mehr Optionen grafisch aufbereitet dargestellt.
• Um das Programm mit der IDE in den Mikrocontroller zu übertragen muß man es debuggen. Es gibt keinen "Target/Program Chip..." Dialog.

Bei mir wurden unter Linux sämtliche Dialogfenster nicht korrekt dargestellt und die IDE stürzte ständig ab. Ich konnte dies beheben, indem ich die Verwendung der alten GTK-2.0 Library anstelle von GTK-3.0 forcierte. Man erreicht das durch folgenden Eintrag in der Datei ~/.profile:

export SWT_GTK3=0