STM32F1 Anleitung

Dies ist der F1 spezifische Teil meiner STM32 Anleitungen.

Modellreihen

Dokumentationen

Die Pinbelegung und elektrischen Daten findet man im jeweiligen Datenblatt. Für den Programmierer ist das Reference Manual am wichtigsten, da es die I/O Funktionen und Register beschreibt. Im Errata Sheet beschreibt der Hersteller überraschende Einschränkungen und Fehler der Mikrochips, teilweise mit konkreten Workarounds.

Weiter führende Doku:

• STM32F1 series - PDF Documentation z.B. Application Notes
• STM32 Cortex-M3 MCUs Programming Manual
• STM32 F1 HAL User Manual Beschreibung des Cube HAL Frameworks
• Newlib Dokumentation der Standard-C Library
• Einblick in die moderne Elektronik ohne viel Theorie Anleitung für den Einstieg
• The Definitive Guide to ARM Cortex-M3 and Cortex-M4 Processors von Joseph Yiu
• ARM Cortex M3 Technical Reference Manual Beschreibung des CPU Kerns

Elektrische Daten

Alle STM32F1 Chips kann man mit 2,0 bis 3,6 Volt betreiben. Der ADC benötigt aber mindestens 2,4 Volt und die USB Schnittstelle läuft nur mit 3,3 V.

Die Stromaufnahme ist im laufenden Betrieb mit 8 Bit Mikrocontrollern vergleichbar, im Stop Modus ist sie jedoch wesentlich höher. Für langfristigen Batteriebetrieb wird daher auf die sparsame L0 Serie verwiesen.

Viele I/O Pins sind 5 V tolerant, sie sind im Datenblatt mit "FT" gekennzeichnet. Im open-drain Modus dürfen die 5 V toleranten Ausgänge durch externe Widerstände auf 5 V hoch gezogen werden. Analoge Eingänge vertragen maximal die gleiche Spannung wie am VDDA Pin.

Die Ausgänge sind einzeln mit 25 mA belastbar, aber insgesamt muss die Stromaufnahme des Chips unter 150 mA bleiben. Gültige Logikpegel sind nur bis 8 mA garantiert. Die Ausgänge sind nicht Kurzschluss-fest.

Die Eingänge sind sehr hochohmig (da CMOS) und haben einen Schmitt-Trigger. Die ESD Schutzdioden sind teilweise nur sehr bedingt belastbar. Die internen Pull-Up und Pull-Down Widerstände haben ungefähr 40 kΩ. Alle I/O Pins haben ungefähr 5 pF Kapazität.

Der NRST (Reset) 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 garantiert mindestens 20 µs lang.

Ausnahmen:

Für die Pins PC13, PC14 und PC15 gelten folgende Einschränkungen:

• Sie dürfen bei HIGH Pegel keinen Strom liefern.
• Sie dürfen bei Low Pegel maximal 3mA aufnehmen.
• Sie dürfen nur mit maximal 2 MHz angesteuert werden und mit maximal 30 pF belastet werden.

Hintergrund ist, dass diese drei Pins intern am (schwachen) Power-Switch der RTC hängen.

Boards

Nucleo-F103RB

Das Nucleo-F103RB Board (aus der Nucleo-64 Reihe) ist ein hochwertiges Starter-Set zum günstigen Preis um 15 €.

• ARM Cortex-M3 Mikrocontroller Modell STM32F103RBT6
  • max. 72 MHz
  • 128 kB Flash
  • 20 kB 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, 3·16 Bit Timer, RTC
• 8 MHz Hauptquarz und 32,768 kHz Uhrenquarz
• Eine programmierbare LED an PA5, die bei High Pegel leuchtet
• Ein programmierbarer Taster, der PC13 auf Low zieht, mit Pull-Up Widerstand
• Reset Taster
• Stromversorgung wahlweise über USB, 7-12 V, 5 V oder 3,3 V
• Buchsenleisten für Arduino Shields (aber nur einige Pins vertragen 5 Volt!)
• Abtrennbarer ST-Link Adapter in Version 2.1
  • Zum Programmieren
  • Zum Debuggen
  • Virtueller Memory-Stick über den man Programme mit dem Dateimanager hochladen kann
  • Virtueller COM Port (USB-UART) verbunden mit USART2, unterstützt 600 bis 2000000 Baud
  • Der ST-Link kann für alle STM32 Mikrocontroller benutzt werden

Der 8 MHz Hauptquarz befindet sich auf dem ST-Link Adapter, er versorgt beide Mikrocontroller. Wenn man den ST-Link abtrennt, muss man den Mikrocontroller mit seinem internen R/C Oszillator betreiben oder einen zusätzlichen Quarz in die verbleibende Platine einlöten.

Der I²C Anschluss an der rechten Arduino Buchsenleiste (beschriftet als SCL/D15 und SDA/D14) erfordert die Verwendung von I2C1 mit "remapped" Pin Konfiguration. Die beiden Stifte Rx/D0 und Tx/D1 am rechten Arduino Connector haben keine Funktion.

Das User Manual enthält die vollständige Beschreibung des Boardes.

Blue Pill Board

Das Blue Pill Board aus China bekommt man ab 1,50 €, allerdings oft mit gefälschten Chips bestückt. Das schwarze Board von RobotDyn wurde nach meinem Kenntnisstand hingegen bisher immer mit originalen Chips bestückt.

• ARM Cortex-M3 Mikrocontroller Modell STM32F103C8T6
  • max. 72 MHz
  • offiziell 64 kB Flash, inoffiziell meistens (immer?) 128 kB
  • 20 kB RAM
  • 28 nutzbare GPIO Pins herausgeführt
    • +2 wenn man auf USB verzichtet (PA11, PA12)
    • +2 wenn man auf den Uhrenquarz verzichtet (PC14, PC15)
  • 2·ADC 12bit mit 10 Eingängen
  • 2·I²C, 3·USART, 2·SPI, 1·USB oder CAN, 7·DMA, 3·16 Bit Timer, RTC
• 8 MHz Hauptquarz und 32,768 kHz Uhrenquarz
• Zwei Jumper für den Boot Modus
• Eine programmierbare LED an PC13, die bei Low Pegel leuchtet
• Reset Taster
• Stromversorgung wahlweise über USB, 3,3 V oder 5 V
• Separate Stiftleiste für die SWD Schnittstelle zum Anschluss des Debuggers

Wenn man besonders dünne Stiftleisten verwendet, passt das Board in einen 40-poligen DIP Sockel.

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

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

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

Weil beim Blue-Pill Board der 5 V Anschluss direkt mit der USB Buchse verbunden ist, soll bei Nutzung von USB nicht gleichzeitig ein 5 V Netzteil angeschlossen werden. Das schwarze Board von RobotDyn hat eine Diode dazwischen, deswegen gilt die Einschränkung dort nicht. Ein 3,3V Netzteil ist bei beiden Boards zulässig.

Schaltplan vom Blue Pill Board, und vom schwarzen Board. Siehe auch mein Buch Einblick in die moderne Elektronik.

Fälschungen

• Flashen funktioniert nur über SWD, nur über UART oder nur mit 115200 Baud
• Debuggen funktioniert nicht
• Der Blink Sketch blinkt nicht
• DMA Controller löst falsche Interrupts aus und hängt sich auf
• OCN-Ausgänge der Timer funktionieren nicht (betrifft PWM)
• I²C funktioniert nicht
• Timer 5 fehlt
• USB funktioniert nicht
• Die Chip-ID lässt sich per Firmware auslesen (beim Original ist das nicht möglich)

Die genannten Mängel treten nur teilweise auf (nie alle zusammen). Das größte Problem dabei ist, dass man nicht weiß, welche einem verkauft werden.

Beispielprogramm

Beispiel für einen einfachen LED-Blinker an PA5 und PC13 auf Basis der CMSIS:

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

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

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

    // PA5 = Output for first LED
    MODIFY_REG(GPIOA->CRL, GPIO_CRL_CNF5,   0b00 << GPIO_CRL_CNF5_Pos);
    MODIFY_REG(GPIOA->CRL, GPIO_CRL_MODE5,  0b01 << GPIO_CRL_MODE5_Pos);
    
    // PC13 = Output for second LED
    MODIFY_REG(GPIOC->CRH, GPIO_CRH_CNF13,  0b00 << GPIO_CRH_CNF13_Pos);
    MODIFY_REG(GPIOC->CRH, GPIO_CRH_MODE13, 0b01 << GPIO_CRH_MODE13_Pos);

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

        // Reset LED pin to LOW
        WRITE_REG(GPIOA->BSRR, GPIO_BSRR_BR5);
        WRITE_REG(GPIOC->BSRR, GPIO_BSRR_BR13);        
        delay(500);
    }
}

Ich weiß dass man Delays besser mit einem Timer realisiert. Hier wollte ich jedoch ein möglichst simples Programmbeispiel zeigen.

Programmier- und Debug-Schnittstellen

SWJ Deaktivieren

Standardmäßig sind nach einem Reset sowohl SWD als auch JTAG aktiviert. Um die betroffenen Pins für normale Ein-/Ausgabe zu verwenden, kann man die Schnittstelle im AFIO->MAPR Register deaktivieren, nachdem das AFIOEN Bit eingeschaltet wurde.

// 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*, PB4. SWD remains active
MODIFY_REG(AFIO->MAPR, AFIO_MAPR_SWJ_CFG, AFIO_MAPR_SWJ_CFG_JTAGDISABLE); 

Boot Loader

Neben der SWJ Schnittstelle haben alle STM32 auch einen unveränderlichen Bootloader, über den man Programme hochladen kann. Er ermöglicht Zugriff auf den Flash Speicher, das RAM und die Option Bytes, zum Debuggen eignet er sich jedoch nicht.

Der Bootloader nutzt den Anschluss USART1. Die STM32F105 und 107 Modelle unterstützen auch USB und CAN.

Zur Konfiguration des Bootloaders dienen die beiden Pins Boot0 und Boot1:

Boot0 und Boot1 werden beim Reset und beim Aufwachen aus dem Standby Modus gelesen. Um den Bootloader zu aktivieren, setzt man den Pin Boot0=High, Boot1=Low und dann drückt man den Reset Knopf.

Weitere Informationen zum Bootloader stehen in der Application Note AN2606.

Serieller Bootloader

Die Verbindung zum PC wird mit einem USB-UART Adapter wie diesem hergestellt:

Folgende Verbindungen sind nötig:

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

USB Bootloader

Beim STM32F105 und 107 unterstützt der Bootloader auch USB. Dazu ist ein Quarz mit 8 MHz, 14.7456 MHz oder 25 MHz notwendig, und die Spannungsversorgung muss 3,3 V sein. Weitere Anwendungshinweise findest du in der Application Note AN2606.

Für Arduino gibt es für einige STM32F103 Boards den STM32duino Bootloader, der das Programmieren über USB ermöglicht. Außerhalb von Arduino kann dieser Bootloader nur mit zusätzlichem Aufwand verwendet werden, weil dein eigenes Programm hinter den Bootloader im Flash Speicher platziert werden muss.

Unterbrechungen

Interrupt-Vektoren

Hinter den ARM Processor Exceptions enthält die Interrupt Vektor Tabelle der STM32F1 folgende Einträge:

Extended Interrupts

Die externen Interrupt-Signale und auch einige interne durchlaufen einen erweiterten Schaltkreis, der zusätzliche Konfiguration erfordert. Man erkennt sie am Stichwort EXTI.

Die Kanäle EXTI0 bis EXT15 sind für I/O-Pins reserviert. Jeden Kanal kann man in den Registern AFIO->EXTICR[0-3] genau einem Port zuweisen. Wenn man zum Beispiel Kanal 0 dem Port A zuweist (also PA0), kann man auf den anderen Ports das Bit 0 nicht mehr für Interrupts verwenden. Diese Einschränkung gilt für alle 16 Kanäle.

Interrupt Flanken

Viele erweiterte Unterbrechungen werden durch Flanken (Signalwechsel) ausgelöst. Man erkennt sie an den Bits im Register EXTI->RTSR oder EXTI->FTSR.

• Steigende Flanke: Wenn man im Register EXTI->RTSR (bzw. EXTI->RTSR2) ein Bit setzt, dann löst ein Signalwechsel von Low nach High die Unterbrechung aus.
• Fallende Flanke: Wenn man im Register EXTI->FTSR (bzw. EXTI->FTSR2) ein Bit setzt, dann startet löst ein Signalwechsel von High nach Low die Unterbrechung aus.

Durch die Verwendung von Flanken ist automatisch sicher gestellt, dass der Handler nicht immer wieder erneut ausgeführt wird, falls ein Interrupt Signal für längere Zeit ansteht.

Flanken gesteuerte Interrupts gehen nicht verloren, wenn das Signal schon wieder verschwindet bevor der Handler aufgerufen wurde. Der Interrupt-Controller merkt sich, dass da mal eine Anforderung vorlag, die noch nicht abgearbeitet wurde.

In diesem Zusammenhang ist das Register EXTI->PR wichtig. Dort merkt sich der Interrupt-Controller den Zustand. Während der Initialisierung muss man das Bit zurück setzen, um sicher zu stellen, dass die erste Flanke zuverlässig erkannt wird. Man schreibt eine 1 in das jeweilige Bit, damit es auf 0 zurück gesetzt wird. Innerhalb der ISR muss man das Flag ebenfalls zurück setzen, am Besten ganz am Anfang. Am Ende der ISR wäre zu spät, da dieses Signal etwas verzögert verarbeitet wird.

Interrupt Masken

Im Register EXTI->IMR werden Unterbrechungen maskiert. Man muss hier eine 1 in das jeweilige Bit schreiben, damit eine Interrupt-Leitung wirksam wird. Standardmäßig sind die meisten Interrupts maskiert, sind also ohne Wirkung.

Das folgende Beispiel löst einen Interrupt aus, wenn das Signal an PC13 von Low nach High wechselt. Beim Nucleo-Board ist PC13 mit dem blauen Taster verbunden.

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

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

void EXTI15_10_IRQHandler() {
    // Clear pending interrupt flag
    // It is important that this is not the last command in the ISR
    SET_BIT(EXTI->PR, EXTI_PR_PR13);

    // Output a trace message
    ITM_SendString("irq\n");
}

int main() {
    // Enable clock for Port C and alternate functions
    SET_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_IOPCEN + RCC_APB2ENR_AFIOEN);

    // Assign EXTI13 to PC13 with rising edge
    MODIFY_REG(AFIO->EXTICR[3], AFIO_EXTICR4_EXTI13, AFIO_EXTICR4_EXTI13_PC);
    SET_BIT(EXTI->IMR, EXTI_IMR_MR13);
    SET_BIT(EXTI->RTSR, EXTI_RTSR_TR13);
    
    // Enable the interrupt handler call
    NVIC_EnableIRQ(EXTI15_10_IRQn);

    // Clear pending interrupt flag
    SET_BIT(EXTI->PR, EXTI_PR_PR13);

    // Endless loop
    while (1) {}
}

Event Masken

Neben den Unterbrechungen steuert der NVIC auch Ereignisse. Ereignisse verwendet man üblicherweise, um die CPU aus aus einem Wait- oder Sleep- Zustand aufzuwecken. So hält zum Beispiel der Befehl __WFE() (aus dem Powermanagement) die CPU bis zum nächsten Ereignis an.

Standardmäßig sind alle Ereignisse maskiert. Man muss im Register EXTI->EMR das entsprechende Bit auf 1 setzen, um ein EXTI Signal als Ereignis zu behandeln.

Taktgeber

Ich habe ziemlich oft gelesen, dass das komplexe System zur Takterzeugung für Anfänger ein großes Hindernis sei. Das sehe ich anders, denn nach einem Reset wird der Mikrocontroller automatisch mit seinem internen 8 MHz R/C Oszillator getaktet. Damit kann man schon eine Menge sinnvoller Programme schreiben.

Die Taktsignale für den ARM Kern, 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:

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

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

• LSE Ist ein guter 32 kHz Quarz-Oszillator für die Echtzeituhr
• LSI Ist ein interner R/C Oszillator mit ca. 40 kHz für den Watchdog, nicht kalibriert

Mehrere Vorteiler und ein PLL Multiplikator können kombiniert werden, um unterschiedliche Taktfrequenzen zu erreichen. Am besten schaut man sich das mal in Cube MX an. Dort kann man schön sehen, welche Parameter konfigurierbar sind und wie sie zusammen wirken.

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:

• Wenn die PLL bereits aktiv ist, muss man sie vor dem Umkonfigurieren zuerst deaktivieren.
• 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.
• Bei mehr als 24 MHz Systemtakt, muss man für den Flash Speicher 1 Wait-State einstellen.
• Bei mehr als 36 MHz ist außerdem ein Vorteiler für den internen APB1 Bus (auch low-speed I/O genannt) einzustellen.
• Bei mehr als 48 MHz Systemtakt, muss man für den Flash Speicher 2 Wait-States einstellen.
• Wenn man den APB1 oder APB2 Prescaler auf einen Teilerfaktor größer als /1 einstellt, dann wird die Taktfrequenz für die Timer nochmal verdoppelt.

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

// The current clock frequency
uint32_t SystemCoreClock=8000000;

// Change system clock to 64 MHz using internal 8 MHz R/C Oscillator
void init_clock() {
    // Because the debugger switches PLL on, we may need to switch
    // back to the HSI oscillator before we can configure the PLL

    // Enable HSI oscillator
    SET_BIT(RCC->CR, RCC_CR_HSION);

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

    // Switch to HSI oscillator
    MODIFY_REG(RCC->CFGR, RCC_CFGR_SW, RCC_CFGR_SW_HSI);

    // Wait until the switch is done
    while ((RCC->CFGR & RCC_CFGR_SWS_Msk) != RCC_CFGR_SWS_HSI) {}

    // Disable the PLL
    CLEAR_BIT(RCC->CR, RCC_CR_PLLON);

    // Wait until the PLL is fully stopped
    while(READ_BIT(RCC->CR, RCC_CR_PLLRDY)) {}
    
    // Flash latency 2 wait states
    MODIFY_REG(FLASH->ACR, FLASH_ACR_LATENCY, 2 << FLASH_ACR_LATENCY_Pos);

    // 64 MHz using the 8 MHz/2 HSI oscillator with 16x PLL, lowspeed I/O runs at 32 MHz
    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;
}

Die obige Delay Schleife läuft danach allerdings nicht 8x schneller, sondern nur 6x schneller. Der Grund dafür ist, dass der Flash jetzt mit 2 Waitstates betrieben werden muss und der Prefetch-Buffer (der dies ausgleicht) nur direkt aufeinander folgende Befehle optimiert. Bei jeden Rücksprung in der Schleife wird der Prefetch-Buffer geleert.

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

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

// The current clock frequency
uint32_t SystemCoreClock=8000000;

// Change system clock to 72 MHz using 8 MHz crystal
void init_clock() {
    // Because the debugger switches PLL on, we may need to switch
    // back to the HSI oscillator before we can configure the PLL

    // Enable HSI oscillator
    SET_BIT(RCC->CR, RCC_CR_HSION);

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

    // Switch to HSI oscillator
    MODIFY_REG(RCC->CFGR, RCC_CFGR_SW, RCC_CFGR_SW_HSI);

    // Wait until the switch is done
    while ((RCC->CFGR & RCC_CFGR_SWS_Msk) != RCC_CFGR_SWS_HSI) {}

    // Disable the PLL
    CLEAR_BIT(RCC->CR, RCC_CR_PLLON);

    // Wait until the PLL is fully stopped
    while(READ_BIT(RCC->CR, RCC_CR_PLLRDY)) {}
    
    // Flash latency 2 wait states
    MODIFY_REG(FLASH->ACR, FLASH_ACR_LATENCY, 2 << FLASH_ACR_LATENCY_Pos);

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

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

    // 72 MHz using the 8 MHz HSE oscillator with 9x PLL, lowspeed I/O runs at 36 MHz
    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;
    
    // Disable the HSI oscillator
    CLEAR_BIT(RCC->CR, RCC_CR_HSION);
}

Digitale Pins

Generell könne alle I/O Pins können erst benutzt werden, nachdem man ihre Taktversorgung im Register RCC->APB2ENR eingeschaltet hat. Dort muss man auch das AFIOEN Bit einschalten, es sei denn man benutzt gar keine alternative Funktion.

Standardmäßig sind fast alle I/O Pins als digitaler Eingang konfiguriert. Um deren Status abzufragen, liest man das jeweilige GPIOx->IDR Register.

Im Register GPIOx->CRL (für Pin 0-7) oder GPIOx->CRH (für Pin 8-15) konfiguriert man einen Pin als Ausgang oder für alternativen Funktionen (wie z.B. serieller Port oder PWM Timer).

Für jeden Ausgang kann man dort 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 elektromagnetischer 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

Die Taktfrequenz des Systems wird standardmäßig durch 2 geteilt um den ADC zu betreiben. Er funktioniert mit maximal 14 MHz, daher ist es notwendig den Vorteiler im Register RCC->CFGR zu ändern, wenn der Systemtakt über 28 MHz liegt.

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:

// Configure PA1 as analog input ADC12_IN1
MODIFY_REG(GPIOA->CRL, GPIO_CRL_CNF1,  0b00 << GPIO_CRL_CNF1_Pos);
MODIFY_REG(GPIOA->CRL, GPIO_CRL_MODE1, 0b00 << GPIO_CRL_MODE1_Pos);

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_DIV8);
    
    // Enable clock 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, 0b111 << ADC_CR2_EXTSEL_Pos);

    // Set sample time to 41.5 cycles
    MODIFY_REG(ADC1->SMPR2, ADC_SMPR2_SMP0, 0b100 << ADC_SMPR2_SMP0_Pos);

    // Delay 20 ms
    delay_ms(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) {
    // Number of channels to convert: 1
    MODIFY_REG(ADC1->SQR1, ADC_SQR1_L, 0 << ADC_SQR1_L_Pos);  // does one conversion more than configured here
    
    // 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

Die Timer 1 bis 8 können jeweils 4 PWM Signale mit maximal 16 Bit Auflösung (65535 Stufen) erzeugen. Damit kann man z.B. die Helligkeit von Lampen oder die Drehzahl von Motoren steuern.

Die Timer 9 bis 14 haben jeweils nur 2 PWM Kanäle.

Die Taktfrequenz der Timer wird vom Systemtakt abgeleitet und kann durch den ABP2 Prescaler (im Register RCC->CFGR) und den Timer Prescaler TIMx->PSC reduziert werden.

Der Timer zählt fortlaufend von 0 an hoch bis zum Maximum, welches durch das TIMx->ARR Register festgelegt wird. Wenn der Maximalwert als 50000 festgelegt wird, können die Ausgangsimpulse wahlweise 1 bis 50000 Takte breit sein.

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. Mit der option "inverse polarity" im Register TIMx->CCER können die Ausgänge umgepolt werden, so dass sie 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 + RCC_APB2ENR_IOPBEN + RCC_APB2ENR_AFIOEN);

    // PA6 = Timer 3 channel 1 alternate function output
    MODIFY_REG(GPIOA->CRL, GPIO_CRL_CNF6,  0b10 << GPIO_CRL_CNF6_Pos);
    MODIFY_REG(GPIOA->CRL, GPIO_CRL_MODE6, 0b01 << GPIO_CRL_MODE6_Pos);

    // PA7 = Timer 3 channel 2 alternate function output
    MODIFY_REG(GPIOA->CRL, GPIO_CRL_CNF7,  0b10 << GPIO_CRL_CNF7_Pos);
    MODIFY_REG(GPIOA->CRL, GPIO_CRL_MODE7, 0b01 << GPIO_CRL_MODE7_Pos);

    // PB0 = Timer 3 channel 3 alternate function output
    MODIFY_REG(GPIOB->CRL, GPIO_CRL_CNF0,  0b10 << GPIO_CRL_CNF0_Pos);
    MODIFY_REG(GPIOB->CRL, GPIO_CRL_MODE0, 0b01 << GPIO_CRL_MODE0_Pos);

    // PB1 = Timer 3 channel 4 alternate function output
    MODIFY_REG(GPIOB->CRL, GPIO_CRL_CNF1,  0b10 << GPIO_CRL_CNF1_Pos);
    MODIFY_REG(GPIOB->CRL, GPIO_CRL_MODE1, 0b01 << GPIO_CRL_MODE1_Pos);
}

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, 0b110 << TIM_CCMR1_OC1M_Pos);
    SET_BIT(TIM3->CCMR1, TIM_CCMR1_OC1PE);

    // Timer 3 channel 2 compare mode=PWM1 with the required preload buffer enabled
    MODIFY_REG(TIM3->CCMR1, TIM_CCMR1_OC2M, 0b110 << TIM_CCMR1_OC2M_2_Pos);
    SET_BIT(TIM3->CCMR1, TIM_CCMR1_OC2PE);

    // Timer 3 channel 3 compare mode = PWM1 with the required preload buffer enabled
    MODIFY_REG(TIM3->CCMR2, TIM_CCMR2_OC3M, 0b110 << TTIM_CCMR2_OC3M_Pos);
    SET_BIT(TIM3->CCMR2, TIM_CCMR1_OC1PE);

    // Timer 3 channel 4 compare mode = PWM1 with the required preload buffer enabled
    MODIFY_REG(TIM3->CCMR2, TIM_CCMR2_OC4M, 0b110 << TTIM_CCMR2_OC4M_2_Pos);
    SET_BIT(TIM3->CCMR2, 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; // 8000000/50000 = 160 pulses per second
    
    // Timer 3 clock prescaler, the APB2 clock is divided by this value +1.
    TIM3->PSC = 0; // divide clock by 1 

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

int main() {
    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 ist. 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. Mehr Informationen dazu gibt es zum Beispiel in der Application Note AN4776.

USART Schnittstelle

Der interne HSI Oszillator ist häufig aber nicht immer stabil genug, um die USART Schnittstellen zu betreiben. Es empfiehlt sich daher, auf eine externe Quelle (HSE) umzuschalten. In dem folgenden Beispiel nutze ich der Einfachheit halber trotzdem den internen HSI Oszillator.

Je nach Taktfrequenz der Peripherie sind unterschiedliche Baudraten möglich:

• Bei 8 MHz: 150 bis 500000 Baud
• Bei 32 MHz: 600 bis 2000000 Baud
• Bei 36 MHz: 1200 bis 2000000 Baud
• Bei 72 MHz: 2400 bis 4000000 Baud (nur USART1)

Beim Nucleo-64 Board ist die serielle Schnittstelle USART2 mit dem ST-Link Adapter verbunden, der diese wiederum über USB an einen virtuellen COM Port weiter leitet:

Der ST-Link v2.1 unterstützt 600 bis 2000000 Baud.

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;

// Use serial port for standard output
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() {
    char received=USART2->DR;

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

int main() {
    // Enable clock for Port A, alternate functions and USART2
    SET_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_IOPAEN + RCC_APB2ENR_AFIOEN);
    SET_BIT(RCC->APB1ENR, RCC_APB1ENR_USART2EN);

    // PA2 (TxD) shall use the alternate function with push-pull
    MODIFY_REG(GPIOA->CRL, GPIO_CRL_CNF2,  0b10 << GPIO_CRL_CNF2_Pos);
    MODIFY_REG(GPIOA->CRL, GPIO_CRL_MODE2, 0b10 << GPIO_CRL_MODE2_Pos);

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

    // Set baudrate, assuming that USART2 is clocked with 
    // the same frequency as the CPU core (no prescalers).
    USART2->BRR = (SystemCoreClock / 9600);
    
    // With > 36 MHz system clock, the USART2 receives usually half of it:
    // USART2->BRR = (SystemCoreClock / 2 / 9600);

    // Enable interrupt in NVIC
    NVIC_EnableIRQ(USART2_IRQn);

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

I²C Bus

Der I²C Bus ist eine beliebte Schnittstelle für die Anbindung von Peripherie über kurze Leitungen, wie Port-Erweiterungen, Sensoren und Batterie-Management. Siehe Spezifikation von Philips/NXP.

Der Bus besteht aus den beiden Leitungen SDA und SCL. An beide Leitungen gehört jeweils ein Pull-Up Widerstand, typischerweise mit 4,7 kΩ bei 5 V oder 2,7 kΩ bei 3,3 V. Die STM32F1 Mikrocontroller haben zwei I²C Busse, beide unterstützen 3,3 V und 5 V Pegel, aber nur wenige Slaves sind so flexibel.

Zum Remappen kann man das Bit I2C1_REMAP im Register AFIO->MAPR setzen. Nach der Initialisierung der I²C Schnittstelle (nicht vorher!) muss man die betroffen I/O Pins im Register GPIOB->CRL bzw. GPIOB->CRH als "Alternate function output open-drain 2 MHz" konfigurieren.

Normalerweise hat man einen zentralen Master, der viele Slaves ansteuert. Jeder Slave hat eine eigene eindeutige 7 Bit Adresse. Innerhalb einer Transaktion kann der Master 0 oder mehr Bytes an den Slave senden und danach 0 oder mehr Bytes vom Slave empfangen. Der folgende Code kann dazu für den Master verwendet werden:

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

/**
 * Initialize the I²C interface.
 *
 * @param registerStruct May be either I2C1 (SCL=PB6, SDA=PB7) or I2C2 (SCL=PB10, SDA=PB11)
 * @param remap Whether to remap I2C1 to the alternative pins (SCL=PB8, SDA=PB9).
 * @param fastMode false=100 kHz, true=400 kHz
 * @param apb1_clock clock frequency of APB1 peripherals
 */
void i2c_init(I2C_TypeDef* registerStruct, bool remap, bool fastMode, uint32_t apb1_clock) {
    // Enable clock for Port B and alternate functions
    SET_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_IOPBEN + RCC_APB2ENR_AFIOEN);
    
    // Enable clock for the I2C interface
    if (registerStruct==I2C1) {
        SET_BIT(RCC->APB1ENR, RCC_APB1ENR_I2C1EN);
    }
    else if (registerStruct==I2C2) {
        SET_BIT(RCC->APB1ENR, RCC_APB1ENR_I2C2EN);
    }
    
    // Disable the peripheral
    CLEAR_BIT(registerStruct->CR1, I2C_CR1_PE);

    // Configure timing
    MODIFY_REG(registerStruct->CR2, I2C_CR2_FREQ, apb1_clock/1000000);
    if (fastMode) {
        MODIFY_REG(registerStruct->CCR, I2C_CCR_CCR, apb1_clock/800000);
        MODIFY_REG(registerStruct->TRISE, I2C_TRISE_TRISE, apb1_clock/4000000+1);
    }
    else {
        MODIFY_REG(registerStruct->CCR, I2C_CCR_CCR, apb1_clock/200000);
        MODIFY_REG(registerStruct->TRISE, I2C_TRISE_TRISE, apb1_clock/1000000+1);
    }

    // Enable the peripheral
    SET_BIT(registerStruct->CR1, I2C_CR1_PE);

    // Configure the I/O pins for alternate function open-drain 2 MHz
    if (registerStruct==I2C1) {
        if (remap) {
            // PB8=SCL, PB9=SDA
            SET_BIT(AFIO->MAPR, AFIO_MAPR_I2C1_REMAP);
            MODIFY_REG(GPIOB->CRH, GPIO_CRH_CNF8,  0b11 << GPIO_CRH_CNF8_Pos);
            MODIFY_REG(GPIOB->CRH, GPIO_CRH_MODE8, 0b10 << GPIO_CRH_MODE8_Pos);            
            MODIFY_REG(GPIOB->CRH, GPIO_CRH_CNF9,  0b11 << GPIO_CRH_CNF9_Pos);
            MODIFY_REG(GPIOB->CRH, GPIO_CRH_MODE9, 0b10 << GPIO_CRH_MODE9_Pos);
        }
        else {
            // PB6=SCL, PB7=SDA
            CLEAR_BIT(AFIO->MAPR, AFIO_MAPR_I2C1_REMAP);
            MODIFY_REG(GPIOB->CRL, GPIO_CRL_CNF6,  0b11 << GPIO_CRL_CNF6_Pos);
            MODIFY_REG(GPIOB->CRL, GPIO_CRL_MODE6, 0b10 << GPIO_CRL_MODE6_Pos);
            MODIFY_REG(GPIOB->CRL, GPIO_CRL_CNF7,  0b11 << GPIO_CRL_CNF7_Pos);
            MODIFY_REG(GPIOB->CRL, GPIO_CRL_MODE7, 0b10 << GPIO_CRL_MODE7_Pos);
        }
    }
    else if (registerStruct==I2C2) {
        // PB10=SCL, PB11=SDA
        MODIFY_REG(GPIOB->CRH, GPIO_CRH_CNF10,  0b11 << GPIO_CRH_CNF10_Pos);
        MODIFY_REG(GPIOB->CRH, GPIO_CRH_MODE10, 0b10 << GPIO_CRH_MODE10_Pos);
        MODIFY_REG(GPIOB->CRH, GPIO_CRH_CNF11,  0b11 << GPIO_CRH_CNF11_Pos);
        MODIFY_REG(GPIOB->CRH, GPIO_CRH_MODE11, 0b10 << GPIO_CRH_MODE11_Pos);
    }
}


/**
 * Perform an I²C transaction, which sends 0 or more data bytes, followed by receiving 0 or more data bytes.
 *
 * @param registerStruct May be either I2C1 or I2C2
 * @param slave_addr     7 Bit slave address (will be shifted within this function)
 * @param send_buffer    Points to the buffer that contains the data bytes that shall be sent (may be 0 if not used)
 * @param send_size      Number of bytes to send
 * @param receive_buffer Points to the buffer that will be filled with the received bytes (may be 0 if not used)
 * @param receive_size   Number of bytes to receive
 * @return               Number of received data bytes, or -1 if sending failed
 */
int i2c_communicate(I2C_TypeDef* registerStruct, uint8_t slave_addr, 
    void* send_buffer, int send_size, void* receive_buffer, int receive_size) {

    // Quick return if nothing to do
    if (send_size==0 && receive_size==0) {
        return 0;
    }
    
    int receive_count=-1;

    // shift the 7 Bit address to the right position
    slave_addr=slave_addr << 1;

    // Send data
    if (send_size>0) {
        // Send START and slave address
        SET_BIT(registerStruct->CR1, I2C_CR1_START);                     // send START condition
        while (!READ_BIT(registerStruct->SR1, I2C_SR1_SB));              // wait until START has been generated
        WRITE_REG(registerStruct->DR,slave_addr);                        // send slave address
        while (!READ_BIT(registerStruct->SR1, I2C_SR1_ADDR)) {           // wait until address has been sent
            if (READ_BIT(registerStruct->SR1, I2C_SR1_AF)) {
                // did not receive ACK after address
                goto error;
            }
        }

        READ_REG(registerStruct->SR2);                                   // clear ADDR
        while (send_size>0) {
            WRITE_REG(registerStruct->DR,*((uint8_t*)send_buffer));      // send 1 byte from buffer
            while (!READ_BIT(registerStruct->SR1, I2C_SR1_TXE)) {        // wait until Tx register is empty 
                if (READ_BIT(registerStruct->SR1, I2C_SR1_AF)) {
                    // did not receive ACK after data byte
                    goto error;
                }
            }
            send_buffer++;
            send_size--;
        }
        while (!READ_BIT(registerStruct->SR1, I2C_SR1_BTF)) {            // wait until last byte transfer has finished 
            if (READ_BIT(registerStruct->SR1, I2C_SR1_AF)) {             // did not receive ACK after data byte
                goto error;
            }
        }
    }
    
    // Sending succeeded, start counting the received bytes
    receive_count=0;

    CLEAR_BIT(registerStruct->CR1, I2C_CR1_POS);                         // POS=0
    SET_BIT(registerStruct->CR1, I2C_CR1_ACK);                           // acknowledge each byte

    // Receive data
    // The procedure includes workaround as described in AN2824
    if (receive_size>0) {
        // Send (RE-)START and slave address
        SET_BIT(registerStruct->CR1, I2C_CR1_START);                      // send START condition
        while (!READ_BIT(registerStruct->SR1, I2C_SR1_SB));               // wait until START has been generated
        WRITE_REG(registerStruct->DR,slave_addr+1);                       // send slave address + read mode
        while (!READ_BIT(registerStruct->SR1, I2C_SR1_ADDR)) {           // wait until address has been sent 
            if (READ_BIT(registerStruct->SR1, I2C_SR1_AF)) {
                // did not receive ACK after address
                goto error;
            }
        }

        if (receive_size>2) {
            READ_REG(registerStruct->SR2);                                // clear ADDR
            while (receive_size>3) {
                while (!READ_BIT(registerStruct->SR1, I2C_SR1_RXNE));     // wait until a data byte has been received
                *((uint8_t*)receive_buffer)=READ_REG(registerStruct->DR); // read data
                receive_size--;
                receive_count++;
                receive_buffer++;
            }
            while (!READ_BIT(registerStruct->SR1, I2C_SR1_BTF));          // wait until 2 bytes are received
            CLEAR_BIT(registerStruct->CR1, I2C_CR1_ACK);                  // prepare to send a NACK
            *((uint8_t*)receive_buffer)=READ_REG(registerStruct->DR);     // read the penultimate data byte
            receive_size--;
            receive_count++;
            receive_buffer++;
            __disable_irq(); {
                SET_BIT(registerStruct->CR1, I2C_CR1_STOP);               // prepare to send a STOP condition
                *((uint8_t*)receive_buffer)=READ_REG(registerStruct->DR); // read the last data byte
                receive_size--;
                receive_count++;
                receive_buffer++;
            }
            __enable_irq();
        }
        else if (receive_size==2) {
            SET_BIT(registerStruct->CR1, I2C_CR1_POS);                    // NACK shall be applied to the next 
                                                                             // byte, not the current byte
            __disable_irq();
            {
                READ_REG(registerStruct->SR2);                            // clear ADDR
                CLEAR_BIT(registerStruct->CR1, I2C_CR1_ACK);              // prepare to send a NACK
            }
            __enable_irq();
            while (!READ_BIT(registerStruct->SR1, I2C_SR1_BTF));          // wait until 2 bytes are received
            __disable_irq();
            {
                SET_BIT(registerStruct->CR1, I2C_CR1_STOP);               // prepare to send a STOP condition
                *((uint8_t*)receive_buffer)=READ_REG(registerStruct->DR); // read the penultimate data byte
                receive_size--;
                receive_count++;
                receive_buffer++;
             }
            __enable_irq();
        }
        else if (receive_size==1) {
            CLEAR_BIT(registerStruct->CR1, I2C_CR1_ACK);                  // prepare to send a NACK
            __disable_irq();
            {
                READ_REG(registerStruct->SR2);                            // clear ADDR
                SET_BIT(registerStruct->CR1, I2C_CR1_STOP);               // prepare to send a STOP condition
            }
            __enable_irq();
            while (!READ_BIT(registerStruct->SR1, I2C_SR1_RXNE));         // wait until a data byte has been received
        }

        *((uint8_t*)receive_buffer)=READ_REG(registerStruct->DR);         // read the last data byte
        receive_size--;
        receive_count++;
        receive_buffer++;
        while (READ_BIT(registerStruct->SR1, I2C_CR1_STOP));              // wait until STOP has been generated
    }

    else if (receive_size==0) {
        SET_BIT(registerStruct->CR1, I2C_CR1_STOP);                       // send STOP condition
        while (READ_BIT(registerStruct->CR1, I2C_CR1_STOP));              // wait until STOP has been generated
    }

    return receive_count;

    error:
    SET_BIT(registerStruct->CR1, I2C_CR1_STOP);                           // send STOP condition
    while (READ_BIT(registerStruct->CR1, I2C_CR1_STOP));                  // wait until STOP has been generated
    CLEAR_BIT(registerStruct->CR1, I2C_CR1_PE);                           // restart the I2C interface clear all error flags
    SET_BIT(registerStruct->CR1, I2C_CR1_PE);
    //ITM_SendString("I2C bus error!\n");
    return receive_count;
}

Die Funktion liefert nach der Übertragung die Anzahl der empfangenen Bytes zurück, oder -1 wenn das Senden fehlschlug. Der Code muss so komplex sein, um Bugs in der I²C Schnittstelle des STM32F1 zu umgehen.

Anwendungsbeispiel:

int main() {
    // Initialize I2C1, no pin remapping, no fast mode, APB1 clock is 8 MHz
    i2c_init(I2C1, false, false, 8000000);

    uint8_t send_buffer[]={0};
    uint8_t receive_buffer[5];
    i2c_communicate(I2C1, 8, send_buffer, 1, receive_buffer, 5);
}

Das obige Beispiel sendet ein Byte {0} an den Slave mit der Adresse 8. Danach werden 5 Bytes vom Slave empfangen.

USB Schnittstelle

Die USB Schnittstelle erfordert ein umfangreiches Softwarepaket. Beinahe alle Programmierer binden daher fertige Implementierungen in ihr Programm ein.

Die USB Schnittstelle funktioniert Interrupt-getrieben. Immer wenn die Hardware ein kleines Datenpaket gesendet oder empfangen hat, löst sie einen Interrupt aus. Der Interrupthandler hat die Aufgabe, Anfragen des Host zu beantworten und Nutzdaten mit dem Pufferspeicher auszutauschen. Wenn man den Mikrocontroller beim Debuggen anhält, fällt die USB Schnittstelle sofort aus.

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

Der Systemtakt muss entweder 48 MHz oder 72 MHz betragen und aus einem Quarz gewonnen werden. Der USB Clock Prescaler wird dementsprechend auf 1 oder 1,5 gestellt, um die USB Schnittstelle mit 48 MHz zu takten.

Die USB Buchse wird mit PA11 (D-) und PA12 (D+) verbunden. Es ist nicht nötig, den Modus (in, out, alternative) dieser Pins zu konfigurieren.

An D+ gehört ein 1,5 kΩ Pull-Up Widerstand auf 3,3 V, welcher dem Host Computer signalisiert, dass ein Gerät angeschlossen wurde. Manche Boards schalten den Widerstand mit einen I/O Pin ein. Dadurch kann man den Host Computer dazu bringen, das USB Gerät erneut zu erkennen, ohne das Kabel abstecken zu müssen.

Bitte beachte meinen Hinweis zu CDC Geräten unter Linux, er erspart dir womöglich eine langwierige Fehlersuche.

Virtueller COM Port mit Cube HAL

Auf der Webseite von STM gibt es den "STM32 Virtual COM Port Driver" zum Herunterladen, aber den braucht man seit Windows 8 nicht mehr. Linux und Mac brauchen auch keine Treiber-Installation.

Mit der Cube IDE kann man sich ein Projekt mit USB Unterstützung zusammenklicken. Das geht so:

• Ein neues Projekt anlegen, dabei den richtigen Mikrocontroller einstellen.
• Im Reiter Pinout& Configuration
  • Bei System Core/RCC/High Speed Clock (HSE): Crystal/Ceramic Resonator einstellen.
  • Bei System Core/SYS soll die Debug Option: Serial Wire und Timebase Source: SysTick gewählt werden.
  • Bei Connectivity/USB/Device (FS) einschalten.
  • Bei Middleware/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 48 MHz erhöht wird. Wenn dein Quarz nicht 8 MHz hat, musst du das hier noch einstellen.

Probiere das Programm zunächst ohne Änderungen aus. Der PC sollte im Gerätemanager einen neuen virtuellen COM Anschluss mit dem Namen "Serielles USB-Gerät (COMx)" oder "STMicroelectronics Virtual COM Port (COMx)" anzeigen.

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_SET);
        HAL_Delay(500);

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

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

  }
  /* USER CODE END 3 */

Diese Variante belegt etwa 20 kB Flash und 5 kB RAM. Davon dienen jeweils 1 kB als Sendepuffer und Empfangspuffer (kann man ändern). die Ausgabe kann man mit einem Terminal-Programm (Baudrate ist egal) anzeigen.

Damit die Ausgabefunktionen der Standard C Library (z.B. printf, puts, putchar) auf USB geleitet werden, kannst du folgende Funktion implementieren:

// Use the USB port for standard output
int _write(int file, char *ptr, int len) {
    CDC_Transmit_FS( (uint8_t*) ptr, len);
    return len;
}

Virtueller COM Port ohne Cube HAL

Die USB CDC Implementierung in STM32F103_usb_test.zip stammt aus dem mikrocontroller.net Forum. Sie wurde ursprünglich vom Benutzer W.S. lizenzfrei veröffentlicht und dann von mehreren Mitgliedern verbessert. Der Quelltext ist sehr kompakt - nur zwei Dateien ohne weitere Abhängigkeiten. Auf dem PC braucht man dazu keine Treiber-Installation, im Fall von Windows ist mindestens Version 8 erforderlich.

Das Projekt wurde mit der "STM32 Cube IDE" für das Nucleo-F103RB Board und das Blue Pill Board erstellt. Ich gehe davon aus, daß der Code auf allen STM32F1 Modellen (mit USB) läuft, außer auf STM32F105 und STM32F107, denn die haben eine andere USB Schnittstelle. Die Initialisierung in der main.c muss aber ans jeweilige Modell angepasst werden.

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 5 kB Flash und 600 Bytes RAM. Davon dienen jeweils 256 Byte als Sendepuffer und 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() {
    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
void init_clock() {
    // Because the debugger switches PLL on, we may need to switch
    // back to the HSI oscillator before we can configure the PLL

    // Enable HSI oscillator
    SET_BIT(RCC->CR, RCC_CR_HSION);

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

    // Switch to HSI oscillator
    MODIFY_REG(RCC->CFGR, RCC_CFGR_SW, RCC_CFGR_SW_HSI);

    // Wait until the switch is done
    while ((RCC->CFGR & RCC_CFGR_SWS_Msk) != RCC_CFGR_SWS_HSI) {}

    // Disable the PLL
    CLEAR_BIT(RCC->CR, RCC_CR_PLLON);

    // Wait until the PLL is fully stopped
    while(READ_BIT(RCC->CR, RCC_CR_PLLRDY)) {}

    // Flash latency 1 wait state
    MODIFY_REG(FLASH->ACR, FLASH_ACR_LATENCY, 1 << FLASH_ACR_LATENCY_Pos);

    // 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;
    
    // Set USB prescaler to 1 for 48 MHz clock
    SET_BIT(RCC->CFGR, RCC_CFGR_USBPRE);
}

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

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

    // PA5 = Output (LED on Nucleo-64 board)
    MODIFY_REG(GPIOA->CRL, GPIO_CRL_CNF5,  0b00 << GPIO_CRL_CNF5_Pos);
    MODIFY_REG(GPIOA->CRL, GPIO_CRL_MODE5, 0b01 << GPIO_CRL_MODE5_Pos);    

    // PC13 = Output (LED on Blue-Pill board)
    MODIFY_REG(GPIOC->CRH, GPIO_CRH_CNF13,  0b00 << GPIO_CRH_CNF13_Pos);
    MODIFY_REG(GPIOC->CRH, GPIO_CRH_MODE13, 0b01 << GPIO_CRH_MODE13_Pos);
}

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

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

    while (1) {
        // LED On
        WRITE_REG(GPIOA->BSRR, GPIO_BSRR_BS5);
        WRITE_REG(GPIOC->BSRR, GPIO_BSRR_BR13);
        delay_ms(100);

        UsbSendStr("Hello World!\n",10);

        // LED Off
        WRITE_REG(GPIOA->BSRR, GPIO_BSRR_BR5);
        WRITE_REG(GPIOC->BSRR, GPIO_BSRR_BS13);
        delay_ms(900);
    }

}

Die Ausgabe kann man mit einem Terminal-Programm (Baudrate ist egal) anzeigen.

Für fortgeschrittene Programmierer hat Niklas Gürtler das USB-Tutorial mit STM32 im mikrocontroller.net Forum geschrieben. Er beschreibt dort detailliert, wie die USB Schnittstelle des STM32F103 funktioniert und liefert als Anwendungsbeispiel einen nützlichen 3-Fach USB-UART Adapter. Dieser funktioniert dank CDC Standard ohne Treiberinstallation. Ich habe das Projekt für die Cube IDE und Blue Pill Boards angepasst: Download.

Echtzeituhr

Die RTC kann dazu verwendet werden, um eine Uhr zu bauen. Technisch gesehen handelt es sich nur um einen simplen batteriebetriebenen Zähler mit 32 kHz Quarz-Oszillator, der üblicherweise genauer läuft, als der Systemtakt. Ein einstellbarer Vorteiler erzeugt den Sekunden-Takt, dahinter kommt ein 32 Bit Zähler. Uhrzeit und Datum muss man ggf. per Software anhand des Zählerstandes berechnen.

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 je nach Modell 10 oder 42 so genannte "Backup Register", wo man 16 Bit Werte speichern kann.

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

Dieses Beispiel initialisiert die RTC so, dass jede Sekunde ein Interrupt aufgerufen wird. In der ISR wird die LED an Port PA5 getoggelt, so dass sie blinkt.

#include "stm32f1xx.h"

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

    // PA5 = Output
    MODIFY_REG(GPIOA->CRL, GPIO_CRL_CNF5,  0b00 << GPIO_CRL_CNF5_Pos);
    MODIFY_REG(GPIOA->CRL, GPIO_CRL_MODE5, 0b01 << GPIO_CRL_MODE5_Pos);
}

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(RTC_IRQn);
}

void RTC_IRQHandler() {
    // Clear interrupt flag
    CLEAR_BIT(RTC->CRL,RTC_CRL_SECF);

    // Note: After clearing the interrupt flag, give the RTC at
    // least 5 clock cycles time before leaving the ISR, otherwise 
    // the ISR gets executed twice.

    // Toggle LED
    GPIOA->ODR ^= GPIO_ODR_ODR5;
}

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

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

RTC lesen

Das Auslesen der Uhrzeit (also des Sekundenzählers) erfordert zwei Lesezugriffe zu je 16 bit. Es kann passieren, dass der Zähler zwischen den beiden Lesezugriffen verändert wird, was zu völlig falschen Ergebnissen führt. Um diesen Fehler sicher zu umgehen, liest man den Sekundenzähler wiederholt aus, bis man zweimal hintereinander den selben Wert erhält.

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

    // Repeat until got 2x the same value.
    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

Beim Schreiben verlangt die RTC folgende Prozedur:

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

Ohne Kalibrierung stellt man den Vorteiler wie oben gezeigt auf 32767, die Frequenz des Quarzes wird dann durch 32767+1 geteilt. Meine Blue Pill Boards hatten dabei 1-2 Sekunden Abweichung pro Tag. Sollte deine Uhr ohne Kalibrierung um mehr als 5 Sekunden pro Tag abweichen, liegt mit Sicherheit ein Hardwarefehler vor.

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 stellt man den Vorteiler RTC->PRLL so ein, 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 4 Sekunden pro Tag zu langsam wäre, würde man den Vorteiler um 2 verringern und dann den Korrekturwert auf 15 stellen:

Abweichung:                         4,000 Sekunden
Vorteiler:          -2 * 2,637 =   -5,274 Sekunden  (setze RTC->PRLL = 32767 - 2)
Korrekturwert:      16 * 0,082 =   +1,312 Sekunden  (setze BKP->RTCCR = 16)
==================================================
Summe:                              0,038 Sekunden

Arduino

Mit dem Arduino Framework ist das Programmieren einfach, aber die Programme sind größer, langsamer, und man kann nicht alle Funktionen des Chips ausnutzen. Andererseits hindert die IDE niemanden daran, am Framework vorbei zu programieren. Ein großer Vorteil ist die Verfügbarkeit zahlreicher Bibliotheken. Falls du Arduino mit STM32F1 ausprobieren möchtest, solltest du die bewegte Historie von STM32duino kennen:

Das Arduino Framework begann 2005 mit kleinen 8 Bit AVR Mikrocontrollern als Fork von Wiring (die ganze hässliche Story).

Die ersten inoffizellen 32 Bit Boards kamen 2009 von der Firma Leaflabs: Das "Maple" Board und das kleinere "Maple Mini", beide mit STM32F103C8T6. Leaflabs musste dazu einen anderen Compiler und eigene Bibliotheken in die Arduino IDE integrieren. Kurz danach kam das ähnliche Blue Pill Board auf den Markt, das heute noch angeboten wird.

Das erste offizielle 32 Bit Board von Arduino selbst war das Arduino Due von 2012. Dieses Board wurde von den Makern weitgehend ignoriert, vielleicht weil es viel zu teuer ist.

Als Leaflabs den Produktsupport für die Maple Boards im Jahr 2016 beendete, übernahm Roger Clarks wesentliche Teile des Codes in sein STM32duino Projekt. Er hielt damit die Unterstützung für STM32F103 am Leben. Der Compiler vom Arduino Due Board unterstützt auch STM32, so dass Roger diesen Compiler nun mit benutzen konnte. Dan Drown hat den Code von Roger Clarks so verpackt, dass man ihn bequem mit dem Boardmanager der IDE installieren kann.

Im Jahr 2018 übernahme die Firma ST die Rechte am STM32duino Projekt und schrieb es auf Basis des Cube HAL Frameworks um. So konnte die Firma ST schnell fast alle STM32 Modelle unterstützen. Das neue STM32duino ist nur teilweise zum alten STM32duino kompatibel. Die damit erzeugten Programme sind allerdings größer und etwas langsamer.

Wenn du im Internet nach Anleitungen über STM32 in Arduino suchst, musst du zwischen den STM32duino Versionen von Roger Clarks und ST unterscheiden. Beide werden heute noch werwendet. Roger Clarks hat sein Projekt zwar inzwischen in "Arduino STM32" umbenannt, doch die meisten Leute sind beim ursprünglichen Namen "STM32duino" geblieben.

STM32duino von ST

So installierst du den neuen STM32duino Core von ST:

• Installiere die Arduino IDE Version 2.x.x
• Gehe ins Menü Datei/Voreinstellungen. Gebe ins Feld "Zusätzliche Boardverwalter-URLs" die Adresse https://github.com/stm32duino/BoardManagerFiles/raw/main/package_stmicroelectronics_index.json ein.
• Gehe ins Menü Werkzeuge/Board/Boardverwalter um die "STM32 MCU based boards" von STMicroelectronics zu installieren.

Links zur Dokumentation von ST und zur Dokumentation von Arduino.

STM32duino von Roger Clarks

So installierst du den alten STM32duino Core von Roger Clarks:

• Installiere die alte Arduino IDE Version 1.8.x, aber noch nicht starten
• Erstelle im Verzeichnis der Installation ein leeres Unterverzeichnis mit dem Namen "portable"
• Jetzt die IDE starten.
• Gehe ins Menü Datei/Voreinstellungen. Gebe ins Feld "Zusätzliche Boardverwalter-URLs" die Adresse http://dan.drown.org/stm32duino/package_STM32duino_index.json ein.
• Gehe ins Menü Werkzeuge/Board/Boardverwalter um die folgenden beiden Cores in dieser Reihenfolge zu installieren:
  1. Arduino SAM Boards (32Bits ARM Cortex-M3) by Arduino (enthält den benötigten Compiler).
  2. STM32F1xx/GD32F1xx boards by stm32duino.

Links zur Dokumentation von Roger Clarks und zur Dokumentation von Arduino.

Die Pins PA13, PA14, PA15, PB3 und PB4 sind standardmäßig für die ungenutzte JTAG 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);
}

Dieser Arduino Core basiert nicht auf der CMSIS, daher heißen dort die Konstanten für die Register und Bitmasken etwas anders. Werfe dazu ggf. einen Blick in die Dateien packages/stm32duino/hardware/STM32F1/2022.9.26/system/libmaple/stm32f1/include/series/*.h

STM32duino Bootloader

Damit Windows den USB Bootloader wie gezeigt erkennt, braucht es einen Treiber aus dem Arduino_STM32 Paket. Führe zur Installation die Datei drivers/win/install_driver.bat aus. Linux und Mac OS brauchen keinen Treiber. Zum Hochladen wird das Programm dfu-util verwendet, welches in beiden STM32duino Cores enthalten ist (keine separate Installation nötig).

Manche STM32 Modelle (z.B. STM32L072 und STM32F303) besitzen schon ab Werk einen DFU Bootloader, der den verfügbaren Flash Speicher nicht verkleinert.

Serielle Ports in Arduino

Beim STM32duino Core von ST legt man in der Board-Konfiguration fest, ob das generische "Serial" Objekt angelegt werden soll:

• CDC generic serial: meint einen virtuellen COM Port über den USB Port des Mikrocontrollers (PA11,PA12).
• Enabled generic serial: meint den bevorzugten seriellen Port des Boardes. Beim Nucleo64 Board ist das der zweite serielle Port (Serial=Serial2), weil dieser mit dem ST-Link Adapter verbunden ist.

HardwareSerial Serial1(PA10,PA9);
HardwareSerial Serial2(PA3,PA2);
HardwareSerial Serial3(PB11,PB10);
HardwareSerial Serial4(PC11,PC10);
HardwareSerial Serial5(PD2,PC12);

void setup() {
    Serial1.begin(115200); 
    Serial2.begin(115200); 
    Serial3.begin(115200);
    Serial4.begin(115200);
    Serial5.begin(115200);
}

Virtueller COM Port in Arduino

Der virtuelle COM Port über USB (CDC generic serial) ist integraler Bestandteil von STM32duino, deswegen ist er sehr einfach zu programmieren. Die Einstellung der Baudrate kann entfallen, weil sie keine Rolle spielt. Ein kompletter Beispiel-Sketch:

void setup() {
    // PA5 is connected to the status LED
    pinMode(PA5, OUTPUT);
}

void loop() {
    digitalWrite(PA5, LOW);
    Serial.println("Tick");
    delay(500);

    digitalWrite(PA5, HIGH);
    Serial.println("Tack");
    delay(500);
}

Die Ausgabe kannst du im Seriellen Port Monitor der Arduino IDE sehen. Falls du lieber das Hammer Terminal benutzt, musst du dort den "DTR" Knopf unterhalb des Ausgabefensters einschalten.