Gliederung
NUCLEO-F103RB Board
"Blue Pill" Board aus China
Maple Mini Board
NUCLEO-F103RB Board
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Maple Mini Board
Wer noch gar keine Erfahrung mit Mikrocontrollern hat, dem empfehle ich, mit kleineren 8bit Controllern (z.B. Arduino Nano) anzufangen. Die haben nämlich weniger Funktionen und ihre Datenblätter sind daher für Einsteiger leichter zu verstehen.
Der Boot1 Jumper (=PB2) kann im Normalbetrieb für eigene Zwecke verwendet werden, zum Beispiel um irgendeine Funktion ein/aus zu schalten.
Wegen einem Designfehler muss man den Widerstand R10 auf 1,5k Ohm korrigieren und es wird angeraten, den Rahmen der empfindlichen USB Buchse nachzulöten.
Sobald man externe Sachen anschließt kann der Spannungsregler schnell überhitzen, besonders bei den maximalen 12V.
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 internen Pull-Up und Pull-Down Widerstände haben typischerweise 40k Ohm. Alle I/O Pins haben typischerweise 5pF Kapazität.
Die ESD Schutzdioden von PA4, PA5, PC13, PC14 und PC15 darf man nicht belasten.
Bei der Cube HAL handelt es sich um eine Abstraktions-Library, die den Zugriff auf die Funktionen des Mikrocontrollers erleichtern soll. Die HAL ist Basis für zusätzliche Libraries, zum Beispiel RTOS (Real Time Operating System), USB, TCP/IP, Filesysteme, usw. Dazu gehört das Programm CubeMX, mit dem man sich HAL-basierte Projekte einschließlich Initialisierungs-Routine für I/O Pins und Takterzeugung zusammen klickt. Man sollte allerdings bedenken, dass dieses Konstrukt ausschließlich auf STM32 Controllern läuft.
Die Standard Peripheral Library habe ich hier verlinkt, weil sehr viele Beispielprogramme auf dieser älteren Variante der Hardware-Abstraktion basieren. Sie kann hilfreich sein, wenn man von alten Programmen abguckt. Für Neuentwicklungen soll man sie allerdings nicht mehr benutzen.
Sowohl Cube HAL als auch die StdPeriph Library bauen beide auf die Hersteller-unabhängige CMSIS Library auf. 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 Prozessor zu konfigurieren. Die CMSIS Libraries gibt es für praktisch alle ARM Controller von allen Herstellern. Das heißt allerdings noch lange nicht, das alle ARM Controller gleich programmiert werden, denn jeder Hersteller baut seine eigene Peripherie um den ARM Kern herum.
Da die CMSIS Library von STM leider nicht einzeln downloadbar ist, muss man sie von irgendeinem Cube HAL Projekt kopieren.
Man muss dazu folgendermaßen vorgehen:
#include <stdint.h>
#include "stm32f1xx.h"
// delay loop for default 8Mhz clock
void delay(uint16_t msec)
{
for (uint32_t j=0; j<2000*msec; j++)
{
asm volatile ("nop");
}
}
int main(void)
{
// 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);
while(1)
{
// LED On
WRITE_REG(GPIOA->BSRR,GPIO_BSRR_BS5);
delay(1000);
// LED Off
WRITE_REG(GPIOA->BSRR,GPIO_BSRR_BR5);
delay(1000);
}
}
Die Delays realisiert man besser mit einem Timer. Ich wollte hier allerdings ein möglichst simples Programmbeispiel zeigen.
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. Beispiel siehe weiter unten.
Wenn man Fließkommazahlen ausgeben möchte, muss man bei der newlib-nano zusätzlich die Option -u _printf_float angeben. Das kostet allerdings rund 9kB Flash Speicher. Für das Parsen von Fließkommazahlen benötigt man die Option -u _scanf_float.
Du findest dann für jede Quell-Datei eine *.lst Datei im Verzeichnis Debug oder Release.
| Option | Ziel | Beschreibung |
|---|---|---|
| -O0 | Debugging | Keine Optimierung. Der Assembler Code entspricht 1:1 dem C-Code, was für den Debugger optimal ist. Aber das Programm läuft viel Langsamer, als mit Optimierung.. |
| -O1 | Compilierzeit | Der Compiler wendet nur einfache Optimierungen an, die er schnell umsetzen kann. Nicht empfehlenswert. |
| -O2 | Geschwindigkeit | Bessere Performance, von ARM als Standardeinstellung empfohlen. |
| -O3 | Geschwindigkeit | Beste Performance, unter Umständen wird der Code aber viel größer. Diese Stufe ist weniger erprobt. |
| -Os | Code-Größe | Geringe Code-Größe auf Kosten der Performance. |
| -Og | Debugging | Das Programm wird so weit wie möglich auf Geschwindigkeit optimiert, ohne den Debugger zu beeinträchtigen. |
Die Vollständige Liste der Optimierungen befindet sich hier.
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) {}
Wenn man I/O Funktionen anspricht, ohne dass ihr Taktsignal eingeschaltet ist, hängt sich der Mikrocontroller auf.
Wenn man den Systemtakt über 24 Mhz erhöht, muss man für den Flash Wait-States einstellen. Bei mehr als 36Mhz muss man außerdem einen Vorteiler für die I/O Baugruppe am APB1 Bus einstellen.
Der folgende Beispielcode ändert den Systemtakt auf 64 Mhz mit dem internen HSI Oszillator:
// This variable is used by some CMSIS functions
uint32_t SystemCoreClock=8000000;
// 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 HSI oscillator divided by 2 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.
Das folgende Beispiel erzeugt 48Mhz Systemtakt mit einem externen 8Mhz Quarz (HSE Oszillator):
// This variable is used by some CMSIS functions
uint32_t SystemCoreClock=8000000;
// 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 divided by 1 with 6x PLL, lowspeed I/O runs at 24Mhz
WRITE_REG(RCC->CFGR, RCC_CFGR_PLLSRC + RCC_CFGR_PLLMULL6 + RCC_CFGR_PPRE1_DIV1);
// 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;
}
| Boot1 (=PB2) | Boot0 | Boot von |
|---|---|---|
| egal | Low | Normaler Flash Speicher, ab Adresse 0x0000 0000 |
| Low | High | Serieller Bootloader an USART1 |
| High | High | Internes RAM, ab Adresse 0x2000 0000 |
Wenn NRST nicht verbunden ist, muss man den Reset-Knopf drücken, um die SWD Schnittstelle zu aktivieren, und man muss ihn nach dem Flashen nochmal drücken, um das Programm zu starten.
Die Funktion ITM_SendChar(char) gibt ein Zeichen auf der SWO Leitung aus. Das folgende Beispielprogramm zeigt, wie man die SWO Leitung als Konsole benutzt:
#include <stdio.h>
#include "stm32f1xx.h"
int _write(int file, char *ptr, int len)
{
for (int i=0; i<len; i++)
{
ITM_SendChar( *ptr++ );
}
return len;
}
int main(void)
{
while (1)
{
printf("Hello World!\n");
}
}
Die System Workbench kann SWO Nachrichten leider nicht anzeigen, aber das ST-Link Utility: Und zwar mit dem Menüpunkt ST-LINK/Printf via SWO Viewer. Stelle die richtige Taktfrequenz ein und klicke dann auf Start.
Man kann allerdings nicht gleichzeitig debuggen und das ST-Link Utility benutzen. Nur wenige kommerzielle IDE's können in ihrem Debugger die SWO Meldungen anzeigen, zum Beispiel Keil MDK (welches einige tausend Euro kostet!).
#include <stdio.h>
#include "stm32f1xx.h"
uint32_t SystemCoreClock=8000000;
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;
}
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 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 of USART2
USART2->CR1 = USART_CR1_UE + USART_CR1_TE;
// Set baudrate
USART2->BRR = (SystemCoreClock / 115200);
while (1)
{
printf("Hello World!\n");
}
}
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.
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:
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 0x1001 führt zu einem Sprung nach Adresse 0x1000.
| Adresse | Exception Nr. | CMSIS Interrupt Nr. | Kürzel | C-Funktion | Beschreibung |
|---|---|---|---|---|---|
| ARM Prozessor Exceptions | |||||
| 0x0000 | MSP | Startwert für den Haupt-Stapelzeiger MSP | |||
| 0x0004 | 1 | Reset | Adresse des Startup-Codes, Priorität -3 | ||
| 0x0008 | 2 | -14 | NMI | NMI_Handler | Nicht maskierbarer Interrupt, Priorität -2, wird vom RCC Clock Security System verwendet. |
| 0x000c | 3 | -13 | HardFault | HardFault_Handler | Wird bei allen Fehlern aufgerufen, Priorität -1 |
| 0x0010 | 4 | -12 | MemManage | MemManage_Handler | Wenn aktiviert, werden diese drei mehr spezifischen Exceptions anstelle von HardFault ausgelöst. Sie sind standardmäßig deaktiviert. |
| 0x0014 | 5 | -11 | BusFault | BusFault_Handler | |
| 0x0018 | 6 | -10 | UsageFault | UsageFault_Handler | |
| 0x001c | reserviert | ||||
| 0x0020 | |||||
| 0x0024 | |||||
| 0x0028 | |||||
| 0x002c | 11 | -5 | SVCall | SVC_Handler | Supervisor Call, wird durch den SVC Befehl ausgelöst. Wird von Programmen genutzt, um Funktionen des Betriebssystems aufzurufen. |
| 0x0030 | 12 | -4 | Debug | DebugMon_Handler | Debug Monitor für softwarebasiertes Debugging (selten genutzt) |
| 0x0034 | reserviert | ||||
| 0x0038 | 14 | -2 | PendSV | PendSV_Handler | Pendable Request for System Service. Wird durch Beschreiben des ICSR Registers ausgelöst. Betriebssysteme nutzen es beim Umschalten des Kontextes. Programme ohne Betriebsystem nutzen es, um Aktionen mit geringer Priorität durchzuführen, die ein bisschen verzögert werden dürfen. |
| 0x003c | 15 | -1 | SYSTICK | SysTick_Handler | Systemtimer |
| STM32 Hardware Interrupts | |||||
| 0x0040 | 16 | 0 | WWDG | Watchdog | |
| 0x0044 | 17 | 1 | PVD | EXTI Line Detection | |
| 0x0048 | 18 | 2 | TAMPER | Sabotage Signal vom Tamper Eingang | |
| 0x004c | 19 | 3 | RTC | Echtzeituhr | |
| 0x0050 | 20 | 4 | FLASH | Schreibzugriff auf Flash wurde beendet | |
| 0x0054 | 21 | 5 | RCC | Wenn ein Oszillator oder die PLL bereit ist | |
| 0x0058 | 22 | 6 | EXTI0 | Externe Interrupt Leitungen | |
| 0x005c | 23 | 7 | EXTI1 | ||
| 0x0060 | 24 | 8 | EXTI2 | ||
| 0x0064 | 25 | 9 | EXTI3 | ||
| 0x0065 | 26 | 10 | EXTI4 | ||
| ... | Und so weiter. Die Komplette Liste ist in 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-Routinen können nur durch höher priorisierte Interrupts unterbrochen werden.
Die wichtigsten Funktionen zur Konfiguration des Interrupt-Controllers sind:
Anwendungsbeispiel:
#include <stdint.h>
#include "stm32f1xx.h"
uint32_t SystemCoreClock=8000000;
volatile uint32_t systick_count=0;
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);
...
}
| Modus | Eintritt | Aufwachen | Beschreibung |
|---|---|---|---|
| Active | Normalbetrieb | ||
| WFI Sleep | __WFI() | Interrupt* | Warte auf Interrupt. Nur die CPU wird angehalten. |
| WFE Sleep | __WFE() | Interrupt* oder Ereignis | Warte auf Ereignis. Nur die CPU wird angehalten. |
| Stop | PPDS=1 + LPDS=1 + SLEEPDEEP=1 + __WFI() oder __WFE() | EXTI Leitung, configuriert im EXTI Register. | Taktsignale von HSI/HSE sind deaktiviert. Die I/O Pins, Register und RAM bleiben unverändert. Debugging ist nicht möglich. |
| Standby | PPDS=1 + SLEEPDEEP=1 + __WFI() oder __WFE() | Steigende Flanke an WKUP Pin, RTC Alarm, externer Reset am NRST, IWDG Reset. | Taktsignale von HSI/HSE sind deaktiviert. RAM Inhalte gehen verloren. Nur die Backup Register bleiben erhalten. Die I/O Pins werden hochohmig, außer TAMPER, WKUP und NRST. Debugging ist nicht möglich. Zum Aufwachen muss der Controller neu starten. |
Durch 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.
Ereignisse können sowohl von Software (mittels __SEV() Funktion) als auch von Hardware ausgelöst werden.
Wenn im SCR Register das Bit SEVONPEND gesetzt ist, löst ein anstehender Interrupt zugleich ein Ereignis aus, selbst wenn der Interrupt nicht freigeschaltet ist.
Die Taktsignale für Peripherie können jederzeit verlangsamt oder ganz abgeschaltet werden, um Energie zu sparen.
Die Schnittstellen USB und CAN schließen sich gegenseitig aus, man kann nur eine davon gleichzeitig nutzen. Die USB Schnittstelle muss mit 48Mhz aus einem Quarz (HSE Oszilator) betrieben werden. Der interne HSI Oszillator ist dazu nicht gut genug.
Mit dem Programm CubeMX kann man sich ein Projekt mit USB Unterstützung zusammenklicken. Das geht so:
Wir wollen jetzt etwas Text vom Mikrocontroller an den PC senden. Füge dazu 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 */
Compiliere das Programm erneut und übertrage es in den Mikrocontroller. Danach musst du das USB Kabel wieder abziehen und anstecken. 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!".
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 allerdings nur das "Arduino Due" Board. Für weitere Boards installierst du jetzt noch die STM32 Erweiterung.
Optional kannst du dein Board mit dem Maple Bootloader ausstatten, damit der Chip auch über seinen USB Port programmierbar ist. Ohne den Bootloader müsste man entweder den seriellen Port mit externem USB-UART Adapter oder einen ST-Link benutzen. Der Bootloader erscheint im Windows Gerätemanager als "Maple 003" oder "Maple DFU". 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.
Solange kein Sketch installiert ist, bleibt der Bootloader ständig aktiv, was er durch eine schnell blinkende LED anzeigt. Wenn jedoch ein Sketch installiert ist, dann meldet sich der Bootloader schon eine Sekunde nach dem Reset ab und startet den Sketch. Der Bootloader verschwindet dann aus dem Windows Gerätemanager und stattdessen erscheint ein virtueller COM-Port.
Normalerweise kann die Arduino IDE den laufenden Sketch anhalten und auf den Bootloader zurück schalten, um erneut einen Sketch hochzuladen. Falls das mal nicht funktioniert, hilft folgende Prozedur:
Falls du einen besseren Texteditor für Arduino sucht, dann schau Dir mal diese Anleitung an. Dort geht es zwar um einen anderen Mikrocontroller, doch die Vorgehensweise ist sehr ähnlich.
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);
}