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Gliederung

• Einleitung
• Modell Bezeichnungen
• Dokumentationen
• Elektrische Daten
  • Besondere Ausnahmen
• Boards
  • Nucleo-F103RB
  • Maple Mini
  • Blue Pill
  • STM32F103VET6 Minimum System Dev. Board
• Software
  • Tools
  • ARM Libraries
• Beispielprogramm
• Programmier- und Debug-Schnittstellen
  • SWJ Debug Port
    • ST-Link Adapter
    • SWJ Deaktivieren
    • Trace Meldungen ausgeben
  • Boot Loader
    • Serieller Bootloader
    • USB Bootloader
• GCC Optionen
  • Newlib
  • Assembler Listing
  • Optimierungen
• Startup-Code
• Speicher-Stuktur
  • Funktionsaufrufe
  • Stack
  • Interrupt-Vektoren
• Interrupt Controller
• Taktgeber
• SysTick Timer
• Digitale Pins
• Analoge Eingänge
• PWM Ausgänge
• USART Schnittstelle
• I²C Bus
• USB Schnittstelle
  • Virtueller COM-Port mit Cube HAL
  • Virtueller COM-Port ohne Cube HAL
• Echtzeituhr
  • Initialisieren
  • Lesen
  • Beschreiben
  • Kalibrieren
• Power Management
• Arduino Umgebung
  • Virtueller COM-Port mit Arduino
  • STM32duino von ST
  • STM32duino von Roger Clarks
  • STM32duino Bootloader

STM32F1 Anleitung

Meine Codeschnipsel sollen bei den ersten Schritten helfen, den Mikrocontroller kennen zu lernen und das Arbeiten mit dem Referenzhandbuch zu erlernen. Sie sind daher absichtlich minimalistisch gehalten, dafür umso besser kommentiert.

Modell Bezeichnungen

Beispiel: Der STM32F103C8T6 hat 48 Pins, 64 kB Flash, 16kB RAM, ein QFP Gehäuse und ist für -40 bis +85 °C

Dokumentationen

Weiterführende Doku:

• Technische Dokumentationen von ST z.B. Application Notes
• STM32 F1 HAL User Manual Beschreibung des Cube HAL Frameworks, das Cube MX verwendet
• Einblick in die moderne Elektronik ohne viel Theorie Anleitung für den Einstieg
• Newlib Dokumentation der Standard-C Library
• 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

Die Stromaufnahme ist im laufenden Betrieb mit 8bit 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. Bei den STM32F103 Modellen sind das: PA8-15, PB2-4, PB6-15, PC6-12, PD0-15, PE0-15, PF0-5, PF11-15, PG0-15.
Im open-drain Modus dürfen die 5 V toleranten Ausgänge durch externe Widerstände auf 5 V hoch gezogen werden.

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.

Besondere Ausnahmen

• 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.

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, 3·16bit 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 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.

Maple Mini

Das LeafLabs Maple Mini Board ist nach meinem Kenntnisstand das erste STM32 Board für Arduino gewesen. Es wird nicht mehr produziert, aber man bekommt chinesische Nachbauten davon ab 3,50 €. Die RTC ist mangels Quarz nicht benutzbar.

• ARM Cortex-M3 Mikrocontroller Modell STM32F103C8T6
  • max. 72 MHz
  • 64 kB Flash
  • 20 kB RAM
  • 28 nutzbare GPIO Pins herausgeführt
    • +2 wenn man auf USB verzichtet (PA11, PA12)
    • +2 wenn man auf SWD verzichtet (PA13, PA14)
  • 2·ADC 12bit mit 9 Eingängen
  • 2·I²C, 3·USART, 2·SPI, 1·USB oder CAN, 7·DMA, 3·16bit Timer
• 8 MHz Hauptquarz
• Eine programmierbare LED an PB1, die bei High Pegel leuchtet
• Ein programmierbarer Taster an PB8 und Boot0, der die Pins über 1 kΩ auf High zieht, mit Pull-Down Widerstand.
• Reset Taster
• Stromversorgung wahlweise über USB, 5..12 V oder 3,3 V

Es hat keinen separaten SWD Anschluss, die nötigen 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.

Die Firmware installiert man wahlweise über USART1 mit dem fest installierten seriellen Bootloader oder über SWD mit einem ST-Link Adapter. Die originalen Maple Mini Boards wurden stets mit Arduino USB Bootloader verkauft, das ist bei den Nachbauten leider nicht immer der Fall.

Der Spannungsregler kann leicht überhitzen wenn man ihn bei mehr als 7 V Versorgungsspannung mit zusätzlichen Verbrauchern belastet.

Ein High Pegel an PB9 schaltet den Pull-Up Widerstand vom USB Anschluss aus.

Link zum Schaltplan des Boardes.

Blue Pill Board

Dieses Board aus China bekommt man ab 2 €, allerdings wird es seit Anfang 2020 fast immer mit schlecht gefälschten Chips verkauft. Das kompatible schwarze Board kommt von RobotDyn, die Firma gibt es leider nicht mehr.

• 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, 3·16bit 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 verwendet 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.

Zu den gefälschten Chips wurden folgende Fehlfunktionen gemeldet:

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

STM32F103VET6 Minimum System Development 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
  • 512 kB Flash
  • 64 kB RAM
  • 74 nutzbare GPIO Pins herausgeführt
    • +2 wenn man auf USB verzichtet (PA11, PA12)
    • +2 wenn man auf den Uhrenquarz verzichtet (PC14, PC15)
  • 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 8 kB Größe an I²C 1 ( PB6 und PB7) mit der 7-Bit Adresse 0x50
• 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 Debuggerss

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.

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

Schaltplan vom STM32F103VET6 Minimum System Development Board

Software

Tools

• STM32 Cube IDE, enthält Cube MX, Hinweise dazu
• GNU MCU Plugins für Eclipse
• VisualGDB Plugin für Visual Studio (nur Windows)
• stm32-for-vscode Plugin für Visual Studio Code
• Keil MDK kostenpflichtig, für Profis (nur Windows)

Weitere Software:

• STM32 Cube MX Code-Generator für HAL, wurde in die Cube IDE integriert
• STM32 Cube Programmer zum Flashen mit ST-Link Adapter, seriellem Port oder USB
• ST-Link Utility zum Anzeigen von Trace Meldungen und Flashen mit ST-Link Adapter (veraltet, nur Windows)
• Flash Loader Demonstrator zum Flashen über den seriellen Bootloader (veraltet, nur Windows)
• DfuSe zum Flashen über den USB Bootloader (veraltet, nur Windows)
• ST-Link Tool zum Flashen mit ST-Link Adapter
• STM32 Flash zum Flashen über den seriellen Bootloader
• CMSIS Core Paket für alle STM32 habe ich 2022 aus den Cube HAL Paketen extrahiert

ARM Libraries

Darauf aufbauend stellt die Firma ST ihr proprietäres Cube HAL Framework bereit, das die Wiederverwendbarkeit von Code beim Wechsel auf andere STM32 Modelle erleichtern soll. Dazu gehört das Programm Cube MX (welches in die IDE integriert wurde), womit man Quelltext-Projekte einschließlich Code zur Konfiguration der I/O Funktionen und Taktversorgung erzeugt.

Ich empfehle, die Programmierung zunächst anhand des Referenzhandbuches (ohne HAL) zu lernen. So lernt man die Grundlagen, mit denen man die Funktionsweise der knapp dokumentierten HAL besser durchblickt.

Von 2007 bis 2011 war die inzwischen veraltete Standard Peripheral Library (SPL) im Umlauf. Einige Beispiele im Internet beruhen noch darauf.

Der arm-gcc Compiler bringt die Standard-C Bibliotheken mit, denen ich weiter unten ein eigenes Kapitel gewidmet habe.

Beispielprogramm

// Filename: main.c

#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 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 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)
    {
        // LED Pin -> High
        WRITE_REG(GPIOA->BSRR, GPIO_BSRR_BS5);
        WRITE_REG(GPIOC->BSRR, GPIO_BSRR_BS13);        
        delay(500);

        // LED Pin -> Low
        WRITE_REG(GPIOA->BSRR, GPIO_BSRR_BR5);
        WRITE_REG(GPIOC->BSRR, GPIO_BSRR_BR13);        
        delay(500);
    }
}

Programmier- und Debug-Schnittstellen

SWJ Debug Port

SWJ ist die einzige Schnittstelle, die von der Cube IDE unterstützt wird. Sie funktioniert unabhängig von Boot Modus, Taktquelle, Spannung und Temperatur. Die SWJ Schnittstelle ist nach dem Reset standardmäßig aktiviert, kann jedoch per Software deaktiviert werden.

Achtung: Die Schnittstelle funktioniert nicht im Stop, Standby und Sleep Modus!

Die SWJ Schnittstelle unterstützt zwei Übertragungsprotokolle: JTAG und SWD. Das neuere SWD Protokoll wird bevorzugt, da es schneller ist und nur drei Leitungen benötigt: GND, SWDIO und SWCLK.

ST-Link Adapter

Er ist folgendermaßen mit dem Mikrocontroller verbunden:

Außerdem enthalten diese ST-Link Modelle auch einen USB-UART Adapter mit den Anschlüssen Tx und Rx.

Die Cube Programme verlangen nach einem Firmware-Update, was auch auf nicht originalen ST-Links in der Regel problemlos klappt. Die anderen oben genannten Programme sind hingegen auch mit älteren Firmware Versionen zufrieden.

Viele Windows Programme benötigen den libusb-win32 Treiber, um den ST-Link anzusteuern. Falls dieser fehlt oder nicht richtig geladen wird, siehe hier.

Bei den chinesischen ST-Link v2 Sticks empfehle ich, die Rückseite der Platine mit Gewebeband abzudecken, damit kein Kurzschluss zum Aluminium-Gehäuse entsteht. Ihr Reset-Ausgang funktioniert nur mit STM8. Wer eine ruhige Hand hat, kann sich eine SWO Leitung nachrüsten:

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

Trace Meldungen ausgeben

SWO wird mit dem ST-Link Adapter aktiviert und empfangen. Dann ist PB3 vorübergehend ein Ausgang mit Ruhe-Pegel High. Während der seriellen Datenübertragung liefert er Low-Impulse.

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

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

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

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

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

Boot Loader

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

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

Für Arduino gibt es für einige STM32F103 Boards den STM32duino Bootloader, der das Programmieren über USB ermöglicht. Der kann ohne Arduino aber nur mit zusätzlichem Aufwand verwendet werden, weil dann dein eigenes Programm nicht am Anfang des Flash Speichers beginnt, sondern hinter dem Bootloader.

GCC Optionen

Newlib

Wenn das Programm die stdio.h Library benutzt, muss man entweder einige Funktionen zum Zugriff auf die Konsole implementieren oder mittels Linker-Flag -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 9 kB 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() von der newlib-nano ohne Fließkomma-Unterstützung benötigen:

Das ist erheblich mehr, als bei AVR Mikrocontrollern. 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.

Da Mikrocontroller im Gegensatz zu größeren Computern kein Standard Ausgabegerät (wie Bildschirm oder Terminal) haben, muss man die Funktion _write() selber implementieren. Erst danch funktionieren printf(), puts() und putchar():

int _write(int file, char *ptr, int len)
{
    for (int i=0; i<len; i++)
    {
        char c=*ptr++;
        // hier das Zeichen c irgendwo ausgeben
    }
    return len;
}

Weiter unten findest du konkrete Beispiele für Ausgaben über serielle Ports und USB. Bei der Ausgabe von Text mit printf() und putchar() ist zu beachten, dass die Zeichen in einem Puffer gesammelt werden, bis dieser entweder voll ist oder ein Zeilenvorschub (\n) erfolgt. Mit fflush(stdout) kann man erzwingen, dass die Ausgabe sofort erfolgt. puts() ist nicht betroffen, weil es immer einen Zeilenvorschub anhängt.

Assembler Listing

-g -Wa,-adhlns="$(@:%.o=%.lst)"

Optimierungen

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 optimierende Compiler bevorzugt CPU Register. Der Compiler ersetzt manchmal ganze Prozeduren durch inline Code, und Schleifen durch völlig anderen Code, der das gleiche Ergebnis produziert.

Damit der Debugger funktioniert, braucht man die Option -g. Sie veranlasst den Compiler dazu, Informationen für den Debugger in die *.elf Datei zu schreiben. Auf die Geschwindigkeit und Größe im Flash hat -g keinen Einfluss.

Ich bevorzuge -O1 -g, da der so erzeugte Code nur marginal langsamer ist, als in den höheren Stufen. Der Code lässt sich dennoch weitgehend debuggen und die Assembler Listings sind überschaubar. Weniger gut finde ich die Vorgabe der IDE, wo zwischen Debug- und Release-Modus unterschieden wird. Denn dann kann es passieren, dass ein Code beim Debugging prima läuft, und später in Produktion überraschende Fehler zeigt. Es geht dabei nicht nur darum dem Compiler zu vertrauen, sondern dass feine Unterschiede im Timing manchmal erhebliche Probleme (Race Conditions) auslösen, die man gerne möglichst früh bemerken will. Ich möchte nicht wochenlang eine Debug-Version des Programm testen, um am Ende eine andere Release-Version abzuliefern.

Die vollständige Liste der Optimierungen befindet sich hier.

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()
{
   ...
}

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 Geschwindigkeit, wenn 16bit Daten an 16bit Adressen und 32bit Daten an 32bit Adressen ausgerichtet sind. Der Compiler kümmert sich automatisch darum.

Die Register für I/O Funktionen sind fast alle 16bit breit, mache haben 32bit.

Schreibzugriffe auf die Register finden asynchron statt. So kann die CPU zum Beispiel z.B. ein langsames Register am APB1 Bus beschreiben und noch bevor dies fertig ist ein anderes Register am AHB oder APB2 Bus ansprechen. Mit dem Befehl __DSB() zwischen zwei Register-Zugriffen stellt man sicher, dass sie ohne Überlappung nacheinander stattfinden.

Im Gegensatz zum avr-gcc belegt der arm-gcc für konstante Zeichenketten kein RAM. Zugriffe auf Flash erfordern keine speziellen Befehle, sind jedoch bei Taktfrequenzen oberhalb von 24 MHz etwas langsamer als Zugriffe auf RAM.

Funktionsaufrufe

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

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 CMSIS Funktionen:

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

Interrupt-Vektoren

Der Quelltext dazu befindet sich in der Datei startup/startup_stm32.s. Dort findest du die vorgegebenen Namen der C-Funktionen. Die folgende Tabelle gilt für alle STM32F1 Modelle:

Über das SCB->VTOR Register kann man den Ort der Liste verändern um sie z.B. ins RAM zu verschieben.

Interrupt Controller

Solche Signale werden von interner oder externer Hardware ausgelöst, wenn bestimmte Ereignisse auftreten. Sie können dazu genutzt werden, das laufende Programm vorübergehend zu unterbrechen und stattdessen eine besondere Funktion auszuführen, die Interrupt-Handler oder Interrupt-Service-Routine (ISR) genannt wird.

Reset, NMI und HardFault haben immer die höchste Priorität, bei allen anderen kann man die Priorität einstellen. Interrupt-Handler können durch höher priorisierte Interrupts unterbrochen werden.

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

• NVIC_SetPriority(CMSIS Interrupt Nr, Priorität) Stelle die Priorität ein (0=höchste, 15=niedrigste)
• NVIC_EnableIRQ(CMSIS Interrupt Nr) Erlaube Interrupts
• NVIC_DisableIRQ(CMSIS Interrupt Nr) Sperre Interrupts
• NVIC_SetPendingIRQ(CMSIS Interrupt Nr) Löse einen Interrupt aus
• NVIC_SystemReset() Löse einen System Reset aus
• __disable_irq() Sperre alle Interrupts
• __enable_irq() Hebe die Interrupt-Sperre auf
• __set_PRIMASK(1) Sperre normale Interrupts (ausgenommen: NMI und HardFault)
• __get_PRIMASK() Lese die aktuelle Prioritäten-Maske aus

Um Unterbrechungen temporär zu verbieten (zum Beispiel für exklusiven Zugriff auf Daten oder Schnittstellen), wird folgende Vorgehensweise empfohlen:

uint32_t backup = __get_PRIMASK();
__set_PRIMASK(1);
... do some work ...
__set_PRIMASK(backup);

Normale Unterbrechungen sind durch Pegel gesteuert. Wenn das Signal auf High steht, wird der zugeordnete Handler möglichst bald ausgeführt. Während der Interrupt-Handler läuft, muss das Signal wieder auf Low zurück zurück gehen, sonst wird der Interrupt-Handler nach seinem Ende gleich wieder aufgerufen.

Wenn das Signal zu früh verschwindet, während der Interrupt-Controller nach einer Gelegenheit sucht, den Interrupt-Handler auszuführen, geht es verloren. Der Interrupt-Handler wird dann nicht ausgeführt.

Extended Interrupts

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

• 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

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

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

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:

• 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

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;
}

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);
}

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()
{
    systick_count++;
}

// Delay some milliseconds.
// Note that effective time may be up to 1ms shorter than requested.
void delay_ms(int ms)
{
    uint32_t start=systick_count;
    while (systick_count-start<ms);
}

int main()
{
    // Initialize the timer for 1 ms intervals
    SysTick_Config(SystemCoreClock/1000);
    
    // Delay 2 seconds
    delay_ms(2000);
    ...
}

Digitale Pins

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

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 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

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;

// 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()
{
    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 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 7bit 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 7bit 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 7bit 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;
}

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 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.

Beim "Maple Mini" Board schaltet PB9=High den Widerstand aus.

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

Virtueller COM-Port mit Cube HAL

Mit der STM32 Cube IDE/Cube MX 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.

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:

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

Virtueller COM-Port ohne Cube HAL

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.

Nach der Initialisierung mittels UsbSetup() wird die Funktion UsbSendStr() benutzt, um Zeichenketten zu senden. UsbSetup setzt voraus, dass der Systemtakt bereits korrekt konfiguriert ist. Die entsprechenden Zeilen habe ich oben fett hervorgehoben.

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. Dort stellt er als Anwendungsbeispiel einen nützlichen 3-Fach USB-UART Adapter vor, den ich für die Eclipse basierten Entwickungsumgebungen und das Blue Pill Board angepasst habe.

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 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

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

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 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)
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Summe:                              0,038 Sekunden

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 SCB->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 SCB->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

Das Arduino Framework war von Anfang an eine Umsetzung der Programmiersprache Wiring für ATmega Mikrocontroller. Obwohl Ardunio inzwischen auch einige 32bit Controller unterstützt, merkt man deutlich, dass Arduino primär für die Bedürfnisse und Fähigkeiten von 8bit ATmega Controllern gestaltet wurde.

Im Jahr 2009 erschien das Leaflabs Maple Board als erstes STM32 Board für Arduino. Nachdem der Hersteller den Produktsupport im Jahr 2016 beendete, startete Roger Clarks sein (inzwischen umbenanntes) STM32duino Projekt um die Arduino Unterstützung zumindest für den STM32F103 weiter leben zu lassen. Dazu hat er wesentliche Teile von Leaflabs' Code weiter verwendet. Dan Drown hat den Code von Roger Clarks so verpackt, dass man ihn mit dem Boardmanager der Arduino IDE installieren kann.

Im Jahr 2018 wurde das STM32duino Projekt vom Chiphersteller ST übernommen und auf Basis des Cube HAL Frameworks umgeschrieben. So konnte ST schnell sehr viele weitere STM32 Modelle unterstützen. Allerdings passen viele der alten Anleitungen und Beispielprogramme nicht dazu, und die damit erzeugten Programme sind tendenziell größer und langsamer, als mit dem alten Core von Roger Clarks.

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);
}

STM32duino von ST

• Installiere die Arduino IDE Version 1.x.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 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.

STM32duino von Roger Clarks

• Installiere die 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 (32-bits ARM Cortex-M3) by Arduino, dieses enthält den benötigten C-Compiler.
  2. STM32F1xx/GD32F1xx boards by stm32duino.

Die Doku zu diesem Arduino Core befindet sich hier. Als Programmieradapter empfehle ich dazu einen originalen oder nachgemachten ST-Link v2.

Damit erzeugte Sketche enthalten immer die Serial Klasse für den virtuellen COM Port über USB. Die echten seriellen Ports sind über die Klassen Serial1, Serial2 und Serial3 ansprechbar.

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/STM32F1/­2018.7.2/system/­libmaple/stm32f1/­include/series/*.h

Die Pins PA13, PA14, PA15, PB3 and PB4 sind standardmäßig für die ungenutzte 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

Für das Blue Pill Board ist die Datei generic_boot20_pc13.bin die richtige. Man installiert sie wahlweise über den seriellen Port mit einem USB-UART Adapter oder über den SWJ Debug Port mit einem ST-Link Adapter.

Der dazugehörige Windows Treiber für die Emulation der seriellen Schnittstelle befindet sich im Arduino_STM32 Paket. Führe zur Installation die Datei "Arduino_STM32-master/drivers/win/install_driver.bat" aus. Für Linux braucht man keinen Treiber zu installieren.

Das dazugehöringe Anwendungsprogramm zum Flashen heisst dfu-util und ist Bestandteil des Arduino Cores.

Der STM32duino Bootloader ist nur eine Sekunde lang nach dem Loslassen des Reset-Knopfes aktiv. Dies zeigt er durch schnelles Blinken der Status-LED an. Innerhalb dieser kurzen Zeit kann man mit der Arduino IDE einen Sketch hochladen. Im Gerätemanager von Windows erscheint der Bootloader als "libusb-win32 devices/Maple DFU". Nach einer Sekunde verschwindet er wieder, danach erscheint der virtuelle serielle COM-Port des Sketches.

Wegen dem schwierigen Timing finde ich den Bootloader unhandlich und nicht empfehlenswert.