STM32G4 Anleitung

Dies ist der G4 spezifische Teil meiner STM32 Anleitungen.

Die STM32G4 Mikrocontroller wurden als Nachfolger der F3 Serie platziert. Sie haben zum gleichen Preis mehr Peripherie, eine höhere Taktfrequenz und mehrere mathematische Koprozessoren. Trotzdem wurde die Stromaufnahme so stark reduziert, dass sie auch die älteren L-Serien ersetzen können.

Die Application Note AN5310 beschreibt die Unterschiede der analogen Funktionen zwischen F3 und G4.

Modelle

1. mit AES 128 und 256 Bit
2. mit Parallel memory interface FSMC
3. mit High-resolution Timer

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

Weiter führende Doku:

• STM32G4 series - PDF Documentation z.B. Application Notes
• STM32 Cortex-M4 MCUs and MPUs Programming Manual
• STM32 G4 HAL User Manual Beschreibung des Cube HAL Frameworks
• Newlib Dokumentation der Standard-C Library
• The Definitive Guide to ARM Cortex-M3 and Cortex-M4 Processors von Joseph Yiu
• ARM Cortex M4 Technical Reference Manual Beschreibung des CPU Kerns

Elektrische Daten

Alle hier gezeigten STM32G4 Chips kann man mit 1,71 bis 3,6 Volt betreiben. Der OPAMP braucht mindestens 2,0 Volt und die USB Schnittstelle läuft nur mit 3,3 V.

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 20 mA und alle zusammen mit 100 mA belastbar. Gültige Logikpegel sind aber 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-G431RB

Das Nucleo-G431RB Board (aus der Nucleo-64 Reihe) ist ein hochwertiges Starter-Set zum günstigen Preis um 20 €.

• ARM Cortex-M4F Mikrocontroller Modell STM32G431RBT6
  • max. 170 MHz
  • 128 KiB Flash
  • 32 KiB RAM
  • 12 DMA Kanäle
  • RTC mit Kalender
  • 51 GPIO Pins auf Stiftleisten herausgeführt
  • 2·ADC 12 Bit, 4·DAC, 3·OPAMP, 3·I²C, 5·USART, 3·SPI, 1·USB, 1·CAN, 1·SAI, 8·16 Bit Timer, 1·32 Bit Timer
• 24 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!)
• ST-Link in Version 3E
  • Zum Programmieren und Debuggen
  • Virtueller Memory-Stick zum Upload von *.hex und *.bin
  • Virtueller COM Port (USB-UART) verbunden mit USART2 oder LPUART1 (PA2, PA3), unterstützt bis zu 16 MBaud
  • SWD/SWV Kommunikation bis zu 24 MHz

Der eingebaute ST-Link Adapter kann nicht abgetrennt werden und er kann auch nicht zum Programmieren anderer Mikrocontroller verwendet werden.

Das User Manual enthält die vollständige Beschreibung des Boardes.

Nucleo-G431KB

Das Nucleo-G431KB Board (aus der Nucleo-32 Reihe) ist deutlich kleiner, obwohl es ebenfalls einen ST-Link Adapter enthält. Es kostet üblicherweise etwa 15 €.

• ARM Cortex-M4F Mikrocontroller Modell STM32G431KBT6
  • max. 170 MHz
  • 128 KiB Flash
  • 32 KiB RAM
  • 12 DMA Kanäle
  • RTC mit Kalender
  • auf den Stiftleisten
    • 22 GPIO Pins
    • 8·16 Bit Timer mit 6 PWM Ausgängen
    • 1·32 Bit Timer mit 1 PWM Ausgang
    • 2·ADC 12 Bit mit 8 Eingängen
    • 1·DAC mit 2 Ausgängen
    • 4·Analog comparator
    • 1·I²C
    • 2·USART
    • 1·SPI
    • 1·USB
    • 1·CAN
• 24 MHz Hauptquarz und 32,768 kHz Uhrenquarz
• Eine programmierbare LED an PB3, die bei High Pegel leuchtet
• Reset Taster
• Stromversorgung wahlweise über USB, 7-12 V, 5 V oder 3,3 V
• ST-Link Adapter in Version 3E
  • Zum Programmieren und Debuggen
  • Virtueller Memory-Stick zum Upload von *.hex und *.bin
  • Virtueller COM Port (USB-UART) verbunden mit USART2 oder LPUART1 (PA2, PA3), unterstützt bis zu 16 MBaud
  • SWD/SWV Kommunikation bis zu 24 MHz

Der eingebaute ST-Link Adapter kann nicht abgetrennt werden und er kann auch nicht zum Programmieren anderer Mikrocontroller verwendet werden.

Das User Manual enthält die vollständige Beschreibung des Boardes.

WeAct STM32G431 Core Board

Das WeAct STM32G431 Core Board gibt es in den beiden gezeigten Varianten, beide mit fast identischer Schaltung. Es wird bei Aliexpress ab 4 € angeboten.

• ARM Cortex-M4F Mikrocontroller Modell STM32G431CBU6
  • max. 170 MHz
  • 128 KiB Flash
  • 32 KiB RAM
  • 12 DMA Kanäle
  • RTC mit Kalender
  • auf den Stiftleisten
    • 32 GPIO Pins
      • +2 wenn man auf USB verzichtet (PA11, PA12)
      • +2 wenn man die SWD Stifte (PA13, PA14) mit zählt
      • Nur für das kurze Board:
        • +2 wenn man auf den Uhrenquarz verzichtet (PC14, PC15)
        • +1 wenn man PB8 (= Boot0!) mit verwendet
    • 8·16 Bit Timer mit 26 PWM Ausgängen
    • 1·32 Bit Timer mit 4 PWM Ausgängen
    • 2·ADC 12 Bit mit 16 Eingängen
    • 1·DAC mit 2 Ausgängen
    • 2·Analog comparator
    • 3·OPAMP
    • 3·I²C
    • 3·USART
    • 3·SPI
    • 1·USB
    • 1·CAN
    • 1·SAI
• 8 MHz Hauptquarz und 32,768 kHz Uhrenquarz
• Drei Taster
  • Boot: zieht PB8 = Boot0 auf High, mit Pull-Down Widerstand
  • User: zieht PC13 auf High, ohne Pull-Down Widerstand
  • Reset
• Eine programmierbare blaue LED an PC6, die bei High Pegel leuchtet
• Die Power LED ist rot
• Stromversorgung wahlweise über USB, 3,3 V oder 5 V
• Separate Stiftleiste für die SWD Schnittstelle zum Anschluss des Debuggers

Der Spannungsregler kann leicht überhitzen wenn man ihn mit zusätzlichen Verbrauchern belastet.

Die Lötbrücken sind ab Werk so eingestellt, dass der USB-C Anschluss ohne Power Delivery verwendet wird.

Schaltplan normale Version, lange Version

Beispielprogramm

Beispiel für einen einfachen LED-Blinker an PA5 und PC6 auf Basis der CMSIS:

#include "stm32g4xx.h"

// delay loop for the default 16 MHz
void delay(uint32_t msec) {
    for (uint32_t j=0; j < msec * 3200; j++) {
        __NOP();
    }
}

int main() {
    // Enable Port A and C
    SET_BIT(RCC->AHB2ENR, RCC_AHB2ENR_GPIOAEN);
    SET_BIT(RCC->AHB2ENR, RCC_AHB2ENR_GPIOCEN);

    // PA5 and PC6 = Output for LEDs
    MODIFY_REG(GPIOA->MODER, GPIO_MODER_MODE5, 0b01 << GPIO_MODER_MODE5_Pos);
    MODIFY_REG(GPIOC->MODER, GPIO_MODER_MODE6, 0b01 << GPIO_MODER_MODE6_Pos);

    while(1) {
        // Set LED pin to HIGH
        GPIOA->BSRR = GPIO_BSRR_BS5;
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS6;
        delay(500);

        // Reset LED pin to LOW
        GPIOA->BSRR = GPIO_BSRR_BR5;
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BR6;
        delay(500);
    }
}

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, stellt man im Register GPIOx->MODER einfach den gewünschten Modus ein (Input, Output oder Analog).

Auch wenn PB3 per Software als normaler I/O Pin konfiguriert wurde, kann er trotzdem mit dem ST-Link Adapter als SWO Ausgang umgestellt werden.

Boot Loader

Mathematische Koprozessoren

FPU

Die Fließkomma-Einheit (FPU) beschleunigt die vier Grundrechenarten und Quadratwurzeln mit dem Datentyp float etwa um das 12-Fache. Das ist ähnlich schnell wie 32 Bit integer. Der C/C++ Compiler und die zugehörige C Bibliothek nutzen die FPU automatisch für float. Double Berechnungen sind hingegen drastisch langsamer, weil die FPU diesen Datentyp nicht unterstützt.

Beachte dass Fließkomma-Literale in C/C++ standardmäßig double sind. Um den Datentyp float zu erzwingen schreibt man sie mit dem Suffix "f", zum Beispiel 3.1416f. Beachte auch, dass die normalen Funktionen der <math.h> Bibliothek auf double basieren. Für float musst du die "f" Versionen verwenden, z.B. roundf() anstatt round().

Funktionen mit float und alle Interrupt-Handler sichern die Register der FPU auf den Stack. Die FPU muss schon vor deren Aufruf eingeschaltet sein, sonst bricht das Programm dabei mit einer HardFault Exception ab. Am Besten schaltet man sie daher in SystemInit() ein. Diese Funktion wird vor main() und vor der Initialisierung globaler Objekte ausgeführt:

void SystemInit() {
    // Switch the FPU on
    SCB->CPACR = 0x00F00000;
}

Die relevanten Compiler-Optionen zur Nutzung der FPU werden von der Cube IDE wie folgt vorgegeben:

• -mfpu=fpv4-sp-d16 -mfloat-abi=hard

Theoretisch könnte man den Compiler mit float-abi=soft auf die weniger effiziente Berechnung in Software umstellen, aber damit funktioniert die vorkompilierte C-Bibliothek nicht.

Optional kannst du die folgenden Linker-Optionen aktivieren, damit printf() und scanf() float Parameter unterstützen:

• -u _printf_float -u _scanf_float

Beim Aufruf von Interrupt-Handlern reserviert die FPU Platz auf dem Stack, um dort später ihre Register bei Bedarf zu sichern. Dieses Verhalten kann in den Bits ASPEN und LSPEN im Register FPU->FPCCR verändert werden (siehe Programming Manual).

CORDIC

Der "Coordinate Rotation Digital Computer" (CORDIC) berechnet

• trigonometrische Winkelfunktionen (sin, cos, tan)
• hyperbolische Winkelfunktionen (sinh, cosh, tanh)
• natürliche Logarithmen (ln)
• Exponenten (exp)
• Quadratwurzeln (sqrt)

Der CORDIC verwendet Festpunkt-Zahlen in den Q-Formaten

• q1.15: 16-Bit, davon sind 15 fractional Bits
• q1.31: 32-Bit, davon sind 31 fractional Bits (aber die Präzision ist auf 20-Bit beschränkt)

FMAC

Der "Filter Math Accelerator" (FMAC) implementiert digitale Filter. Sie werden in dieser Präsentation und in der Application Note AN5305 zur HAL beschrieben. Die direkte Programmierung über Register ist im Reference Manual Kapitel "Filter math accelerator" beschrieben. Der FMAC wird typischerweise mit DMA kombiniert.

CRC

Zur schnellen Berechnung von CRC Prüfsummen enthält der Mikrocontroller eine eigene Peripherie, die 60 mal schneller ist, als die CPU. Sie wird in der Application Note AN4187 vorgestellt. Das Reference Manual beschreibt die Programmierung über Register im Kapitel "Cyclic redundancy check calculation unit". Die CRC Einheit kann mit DMA gefüttert werden.

AES

Zur Verschlüsselung von Datenströmen haben die STM32G441, STM32G4A1, STM32G483 und STM32G484 einen AES Beschleuniger. Dieser unterstützt 128 und 256 Bit Schlüssel. Er wird in dieser Präsentation vorgestellt. Die direkte Programmierung über Register ist im Reference Manual Kapitel "AES hardware accelerator" beschrieben. Der AES Beschleuniger kann seinen Datenstrom mit DMA einlesen und ausgeben.

Unterbrechungen

Interrupt-Vektoren

Hinter den ARM Processor Exceptions enthält die Interrupt Vektor Tabelle der STM32G4 folgende Einträge:

Extended Interrupts

Die externen Interrupt-Signale und auch einige interne durchlaufen einen erweiterten Schaltkreis, der zusätzliche Konfiguration erfordert. Sie sind im Referenzhandbuch Tabelle "EXTI lines connections" dokumentiert.

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.

Die anderen Kanäle findest du oben in der Interrupt-Vektoren Tabelle wieder.

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->RTSR1/2 ein Bit setzt, dann startet die Interruptroutine beim Signalwechsel von Low nach High.
• Fallende Flanke: Wenn man im Register EXTI->FTSR1/2 ein Bit setzt, dann startet die Interruptroutine beim Signalwechsel von High nach Low.

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->PR1/2 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->IMR1/2 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.

#include "stm32g4xx.h"

// Delay loop for the default 16 MHz
void delay(uint32_t msec) {
    for (uint32_t j=0; j < msec * 3200; j++) {
        __NOP();
    }
}

void EXTI15_10_IRQHandler() {
    // Clear pending interrupt flag
    // It is important that this is not the last command in the ISR
    SET_BIT(EXTI->PR1, EXTI_PR1_PIF13);

    // Flash the LED on PC6
    GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS6;
    delay(100);
    GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BR6;
}

int main() {
    // Enable port C and system config
    SET_BIT(RCC->AHB2ENR, RCC_AHB2ENR_GPIOCEN);
    SET_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_SYSCFGEN);

    // PC6 = Output for LED
    MODIFY_REG(GPIOC->MODER, GPIO_MODER_MODE6, 0b01 << GPIO_MODER_MODE6_Pos);

    // PC13 = Input with pull-down
    MODIFY_REG(GPIOC->MODER, GPIO_MODER_MODE13, 0b00 << GPIO_MODER_MODE13_Pos);
    MODIFY_REG(GPIOC->PUPDR, GPIO_PUPDR_PUPD13, 0b10 << GPIO_PUPDR_PUPD13_Pos);

    // Assign EXTI13 to PC13 with rising edge
    MODIFY_REG(SYSCFG->EXTICR[3], SYSCFG_EXTICR4_EXTI13, SYSCFG_EXTICR4_EXTI13_PC);
    SET_BIT(EXTI->IMR1, EXTI_IMR1_IM13);
    SET_BIT(EXTI->RTSR1, EXTI_RTSR1_RT13);

    // Enable the interrupt handler call
    NVIC_EnableIRQ(EXTI15_10_IRQn);

    // Clear pending interrupt flag
    SET_BIT(EXTI->PR1, EXTI_PR1_PIF13);

    // Endless loop
    while (1) {}
}

Event Masken

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->EMR1/2 das entsprechende Bit auf 1 setzen, um ein EXTI Signal als Ereignis zu behandeln.

Taktgeber

Nach einem Reset wird der Mikrocontroller automatisch mit seinem internen 16 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->APB1ENR1, RCC->APB1ENR2, RCC->APB2ENR, RCC->AHB1ENR, RCC->AHB2ENR und RCC->AHB3ENR erledigt wird.

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

• HSE Externe Quelle mit 4-48 MHz oder Oszillator für Quarz oder Keramik (im Voltage Scaling Range 2 (Low-Power) nur 4-26 MHz)
• HSI Interner 16 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. 32 kHz für den Watchdog, nicht kalibriert

• HSI48 Interner 48 MHz R/C Oszillator, kalibriert sich selbst am USB Signal

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 STM32G431CB nach einem Reset:

Der STM32G484VE hat einige zusätzliche Komponenten:

Die maximal zulässige Taktfrequenz hängt von der internen Spannungsversorgung "Voltage Scaling" ab:

• Range 1: High-Performance
  • normal mode: 1,2 V für max. 150 MHz (Standardvorgabe nach Reset)
  • boost mode: 1,28 V für max. 170 MHz
• Range 2: Low-Power
  • 1,0 V für max. 26 MHz

• Das Umschalten der internen Spannungsversorgung erfordert eine besondere Prozedur, die im Referenzhandbuch Kapitel "Dynamic voltage scaling management" beschrieben ist. Die dazu relevanten Bits sind VOS im PWR->CR1 Register und das R1MODE Bit in PWR->CR5.
• Abhängig von der Versorgungsspannung und Taktfrequenz müssen Wait-States im FLASH->ACR Register eingestellt werden. Siehe dazu das Kapitel "Read access latency" im Reference Manual.
• Eine bereits aktivierte PLL muss deaktiviert werden, bevor man sie Umkonfigurieren kann.

Beispiel für den STM32G431CB, 64 MHz mit dem internen HSI Oszillator:

#include "stm32g4xx.h"

// The current clock frequency
uint32_t SystemCoreClock=16000000;

// Change system clock to 64 MHz using internal 16 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 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);

    // Configure the PLL
    MODIFY_REG(RCC->PLLCFGR, RCC_PLLCFGR_PLLSRC,  0b10 << RCC_PLLCFGR_PLLSRC_Pos); // PLL source is HSI
    MODIFY_REG(RCC->PLLCFGR, RCC_PLLCFGR_PLLM,  0b0000 << RCC_PLLCFGR_PLLM_Pos);   // PLLM divisor 1
    MODIFY_REG(RCC->PLLCFGR, RCC_PLLCFGR_PLLN,       8 << RCC_PLLCFGR_PLLN_Pos);   // PLLN multiplier 8
    MODIFY_REG(RCC->PLLCFGR, RCC_PLLCFGR_PLLR,    0b00 << RCC_PLLCFGR_PLLR_Pos);   // PLLR divisor 2
    SET_BIT(RCC->PLLCFGR, RCC_PLLCFGR_PLLREN);  // enable output R

    // 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;
}

// Delay loop for 64 MHz
void delay(uint32_t msec) {
    for (uint32_t j=0; j < msec * 12800; j++) {
        __NOP();
    }
}

int main() {
    init_clock();

    // Enable port C
    SET_BIT(RCC->AHB2ENR, RCC_AHB2ENR_GPIOCEN); 

    // PC6 = Output for LED
    MODIFY_REG(GPIOC->MODER, GPIO_MODER_MODE6, 0b01 << GPIO_MODER_MODE6_Pos);

    // Endless loop
    while (1) {
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS6;
        delay(100);
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BR6;
        delay(900);
    }
}

#include "stm32g4xx.h"

// The current clock frequency
uint32_t SystemCoreClock=16000000;

// Change system clock to 170 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 PLL is fully stopped
    while(READ_BIT(RCC->CR, RCC_CR_PLLRDY)) {}

    // Divide AHB clock by 2
    MODIFY_REG(RCC->CFGR, RCC_CFGR_HPRE, 0b1000);

    // Switch main regulator to boost mode
    CLEAR_BIT(PWR->CR5, PWR_CR5_R1MODE);

    // Flash latency 4 wait states
    MODIFY_REG(FLASH->ACR, FLASH_ACR_LATENCY, 4 << 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)) {}

    // Configure the PLL
    MODIFY_REG(RCC->PLLCFGR, RCC_PLLCFGR_PLLSRC,  0b11 << RCC_PLLCFGR_PLLSRC_Pos); // PLL source is HSE
    MODIFY_REG(RCC->PLLCFGR, RCC_PLLCFGR_PLLM,  0b0001 << RCC_PLLCFGR_PLLM_Pos);   // PLLM divisor 2
    MODIFY_REG(RCC->PLLCFGR, RCC_PLLCFGR_PLLN,      85 << RCC_PLLCFGR_PLLN_Pos);   // PLLN multiplier 85
    MODIFY_REG(RCC->PLLCFGR, RCC_PLLCFGR_PLLR,    0b00 << RCC_PLLCFGR_PLLR_Pos);   // PLLR divisor 2
    SET_BIT(RCC->PLLCFGR, RCC_PLLCFGR_PLLREN);  // enable output R

    // 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=170000000;

    // wait more than 1us
    for (uint32_t j=0; j < 100; j++) {
        __NOP();
    }

    // Do not divide AHB clock anymore
    MODIFY_REG(RCC->CFGR, RCC_CFGR_HPRE, 0b0000);
    
    // Disable HSI oscillator
    CLEAR_BIT(RCC->CR, RCC_CR_HSION);
}

// Delay loop for 170 MHz
void delay(uint32_t msec) {
    for (uint32_t j=0; j < msec * 34000; j++) {
        __NOP();
    }
}

int main() {
    init_clock();

    // Enable port C
    SET_BIT(RCC->AHB2ENR, RCC_AHB2ENR_GPIOCEN); 

    // PC6 = Output for LED
    MODIFY_REG(GPIOC->MODER, GPIO_MODER_MODE6, 0b01 << GPIO_MODER_MODE6_Pos);

    // Endless loop
    while (1) {
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS6;
        delay(100);
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BR6;
        delay(900);
    }
}

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

Digitale Pins

Generell können alle I/O Pins erst benutzt werden, nachdem man den Port im Register RCC->AHB2ENR eingeschaltet hat.

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

Im Register GPIOx->MODER konfiguriert man einen Pin als Ausgang oder für alternative Funktionen. Für letztere muss man außerdem in GPIOx->AFR[0] oder GPIOx->AFR[1] einstellen, welche alternative Funktion das sein soll (wie z.B. serieller Port oder PWM Timer). Die alternativen Funktionen sind im Datenblatt unter dem Stichwort "alternate functions" tabellarisch beschrieben.

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.

Im Register GPIOx->OTYPER kann man I/O Pins auf den Open-Drain Modus umkonfigurieren und im Register GPIOx->PUPDR kann man optional interne Pull-Up oder Pull-Down Widerstände einschalten.

Im Register GPIOx->OSPEEDR kann man die Geschwindigkeit der Ausgänge in vier Stufen einstellen (Siehe "Input/output AC characteristics" im Datenblatt). Damit beeinflusst man, wie schnell 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.

Schaue Dir die Beschreibung der GPIO Register im Referenzhandbuch an!

Analoge Eingänge

Im Register GPIOx->MODER stellt man ein, welche Pins als analoger Eingang verwendet werden sollen. Die meisten Pins sind nach einem Reset bereits so eingestellt. Beispiel:

// Configure PA3 as analog input for ADC1_IN4
MODIFY_REG(GPIOA->MODER, GPIO_MODER_MODE3, 0b11 << GPIO_MODER_MODE3_Pos);

Das folgende Programm initialisiert den ADC (samt optionaler Kalibrierung für genauere Ergebnisse) und liest den Eingang PA3 wiederholt in die Variable a ein.

#include "stm32g4xx.h"

// delay loop for the default 16 MHz
void delay(uint32_t msec) {
    for (uint32_t j=0; j < msec * 3200; j++) {
        __NOP();
    }
}

// Initialize ADC1 for single conversion mode
void init_analog() {

    // Enable ADC
    SET_BIT(RCC->AHB2ENR, RCC_AHB2ENR_ADC12EN);

    // Exit ADC deep power down mode
    CLEAR_BIT(ADC1->CR, ADC_CR_DEEPPWD);

    // Enable ADC voltage regulator
    SET_BIT(ADC1->CR, ADC_CR_ADVREGEN);

    // Delay 1-2 ms
    delay(2);

    // ADC Clock = HCLK/4
    MODIFY_REG(ADC12_COMMON->CCR, ADC_CCR_CKMODE, 0b11 << ADC_CCR_CKMODE_Pos);

    // Single ended mode for all channels
    ADC1->DIFSEL = 0;

    // Start calibration for single ended mode
    CLEAR_BIT(ADC1->CR, ADC_CR_ADCALDIF);
    SET_BIT(ADC1->CR, ADC_CR_ADCAL);

    // Wait until the calibration is finished
    while (READ_BIT(ADC1->CR, ADC_CR_ADCAL));

    // Clear the ready flag
    SET_BIT(ADC1->ISR, ADC_ISR_ADRDY);

    // Enable the ADC and wait until it is ready
    SET_BIT(ADC1->CR, ADC_CR_ADEN);
    while (!READ_BIT(ADC1->ISR, ADC_ISR_ADRDY));

    // Select software start trigger
    MODIFY_REG(ADC1->CFGR, ADC_CFGR_EXTEN, 0b00 << ADC_CFGR_EXTEN_Pos);

    // Select single conversion mode
    CLEAR_BIT(ADC1->CFGR, ADC_CFGR_CONT);

    // Set sample time to 32 cycles
    MODIFY_REG(ADC1->SMPR1, ADC_SMPR1_SMP1, 0b100 << ADC_SMPR1_SMP1_Pos);
}

// Read from an analog input of ADC1
uint32_t read_analog(uint32_t channel) {

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

    // Select the channel
    MODIFY_REG(ADC1->SQR1, ADC_SQR1_SQ1, channel << ADC_SQR1_SQ1_Pos);

    // Clear the finish flag
    CLEAR_BIT(ADC1->ISR, ADC_ISR_EOC);

    // Start a conversion
    SET_BIT(ADC1->CR, ADC_CR_ADSTART);

    // Wait until the conversion is finished
    while (!READ_BIT(ADC1->ISR, ADC_ISR_EOC));
    while (READ_BIT(ADC1->CR, ADC_CR_ADSTART));

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

int main() {
    init_analog();

    // Enable port A
    SET_BIT(RCC->AHB2ENR, RCC_AHB2ENR_GPIOAEN);

    // Configure PA3 as analog input for ADC1_IN4
    MODIFY_REG(GPIOA->MODER, GPIO_MODER_MODE3, 0b11 << GPIO_MODER_MODE3_Pos);

    volatile uint32_t a;
    while (1) {
        a=read_analog(4);
    }
}

Du kannst es im Debugger testen oder eine Textausgabe hinzufügen. Eine Eingangsspannung von 0-3,3 V führt zu einem Messwert von 0-4095.

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

PWM Ausgänge

• Der High-Resolution Timer kann auf 12 Ausgängen 16-Bit PWM erzeugen.
• Die Timer 1, 8 und 20 können jeweils auf 6 Ausgängen 16-Bit PWM erzeugen.
• Die Timer 2 und 5 können jeweils auf 4 Ausgängen 32-Bit PWM erzeugen.
• Die Timer 3 und 4 können jeweils auf 4 Ausgängen 16-Bit PWM erzeugen.
• Der Timer 15 kann auf 2 Ausgängen 16-Bit PWM erzeugen.
• Die Timer 16 und 17 können jeweils auf einem Ausgang 16-Bit PWM erzeugen.

Die Taktfrequenz der Timer wird normalerweise vom Systemtakt abgeleitet. Die Relevanten Register sind:

• RCC->PLLCFGR PLL
• RCC->CFGR AHB, ABP1 und ABP2 Prescaler
• TIMx->PSC Timer Prescaler (hat nicht jeder Timer)

Im PWM Modus zählen Timer 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-Impulse liefern.

Das folgende Beispielprogramm benutzt einen Ausgang von Timer 3 (PC6), um eine Leuchtdiode unterschiedlich hell leuchten zu lassen:

#include "stm32g4xx.h"

// delay loop for the default 16 MHz
void delay(uint32_t msec) {
    for (uint32_t j=0; j < msec * 3200; j++) {
        __NOP();
    }
}

int main() {    
    // Enable port C and timer 3
    SET_BIT(RCC->AHB2ENR, RCC_AHB2ENR_GPIOCEN);
    SET_BIT(RCC->APB1ENR1, RCC_APB1ENR1_TIM3EN);

    // PC6 = TIM3_CH1 alternate function (see data sheet)
    MODIFY_REG(GPIOC->MODER,  GPIO_MODER_MODE6, 0b10 << GPIO_MODER_MODE6_Pos); // alternate function mode
    MODIFY_REG(GPIOC->AFR[0], GPIO_AFRL_AFSEL6,  2   << GPIO_AFRL_AFSEL6_Pos); // alternate function 2

    // 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 2 enable channel 1 output
    SET_BIT(TIM3->CCER, TIM_CCER_CC1E);

    // Timer 3 inverse polarity for channel 1
    // SET_BIT(TIM3->CCER, TIM_CCER_CC1P);

    // Timer 3 clock prescaler, the PCLK2 clock is divided by this value +1.
    TIM3->PSC = 15; // divide clock by 16

    // Timer 3 auto reload register, defines the maximum value of the counter
    TIM3->ARR = 50000; // 16000000/16/50000 = 20 pulses per second

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

    // Start with short pulses / low brightness
    uint32_t pulsewidth = 90;

    // Endless loop
    while(1) {
        TIM3->CCR1 = pulsewidth;
        delay(500);

        // Increase brightness
        pulsewidth=pulsewidth*2;

        // start over when the maximum value has been reached
        if (pulsewidth > TIM3->ARR) {
            pulsewidth = 90;
        }
    }
}

Ich habe hier absichtlich eine sehr niedrige PWM Frequenz gewählt, damit man das Pulsieren der LED sehen kann. In einer realen Anwendung würde man natürich eine höhere PWM Frequenz über 100 Hz wählen.

Die Timer 1, 8, 15, 16, 17 und 20 können komplementäre Ausgangssignale mit Tot-Zeit erzeugen, was für den Eigenbau von H-Brücken nützlich ist.

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. Beispiele:

• Bei  16 MHz: bis 1000000 Baud
• Bei  32 MHz: bis 2000000 Baud
• Bei  64 MHz: bis 4000000 Baud
• Bei 128 MHz: bis 8000000 Baud
• Bei 170 MHz: bis 8000000 Baud

Die serielle Schnittstelle USART1 liegt auf PA9 (TxD) und PA10 (RxD). Das Beispielprogramm sendet regemäßig "Hello" aus. Außerdem sendet es alle empfangenen Zeichen als Echo wieder zurück. Das Senden findet direkt statt (ggf. mit Warteschleife) während der Empfang interrupt-gesteuert stattfindet:

#include <stdio.h>
#include "stm32g4xx.h"

uint32_t SystemCoreClock=16000000;

// delay loop for the default 16 MHz
void delay(uint32_t msec) {
    for (uint32_t j=0; j < msec * 3200; j++) {
        __NOP();
    }
}

// Use serial port for standard output
int _write(int file, char *ptr, int len) {
    for (int i=0; i<len; i++) {

        // wait until TX buffer is empty
        while(!(USART1->ISR & USART_ISR_TXE));

        // write one character to the transmit data register
        USART1->TDR = *ptr++;
    }
    return len;
}

// Called after each received character
void USART1_IRQHandler() {
    // read the received character
    char received=USART1->RDR;

    // send echo back
    while(!(USART1->ISR & USART_ISR_TXE));
    USART1->TDR = received;
}

int main() {
    // Enable port A, C and USART1
    SET_BIT(RCC->AHB2ENR, RCC_AHB2ENR_GPIOAEN);
    SET_BIT(RCC->AHB2ENR, RCC_AHB2ENR_GPIOCEN);
    SET_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_USART1EN);

    // PC6 = Output for LED
    MODIFY_REG(GPIOC->MODER, GPIO_MODER_MODE6, 0b01 << GPIO_MODER_MODE6_Pos);

    // Use system clock for USART1
    MODIFY_REG(RCC->CCIPR, RCC_CCIPR_USART1SEL, 0b01 << RCC_CCIPR_USART1SEL_Pos);

    // PA9 (TxD) shall use the alternate function 7 (see data sheet)
    MODIFY_REG(GPIOA->MODER, GPIO_MODER_MODE9,   0b10 << GPIO_MODER_MODE9_Pos); // alternate function mode
    MODIFY_REG(GPIOA->AFR[1], GPIO_AFRH_AFSEL9,  7    << GPIO_AFRH_AFSEL9_Pos); // alternate function 7

    // PA10 (RxD) shall use the alternate function 7 (see data sheet)
    MODIFY_REG(GPIOA->MODER, GPIO_MODER_MODE10,  0b10 << GPIO_MODER_MODE10_Pos); // alternate function mode
    MODIFY_REG(GPIOA->AFR[1], GPIO_AFRH_AFSEL10, 7    << GPIO_AFRH_AFSEL10_Pos); // alternate function 7

    // Set baudrate
    USART1->BRR = (SystemCoreClock / 9600);

    // Enable transmitter, receiver and receive-interrupt of USART1
    USART1->CR1 = USART_CR1_UE + USART_CR1_TE + USART_CR1_RE + USART_CR1_RXNEIE;

    // Enable interrupt in NVIC
    NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);

    while (1) {
        // LED on
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS_6;
        delay(500);

        puts("Hello");

        // LED off
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BR_6;
        delay(500);
    }
}

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 STM32G4 Mikrocontroller haben bis zu vier I²C Busse, alle unterstützen 3,3 V und 5 V Pegel, aber nur wenige Slaves sind so flexibel. Die Signale durchlaufen interne Filter zur Entstörung.

Bevor man einen I²C Anschluss benutzen kann, muss man bei den betroffenen Pins (SDA und SCL) die alternative Funktion im GPIOx->AFR und GPIOx->MODER einstellen. Außerdem muss der Pin im GPIOx->OTYPER Register auf Open-Drain Modus eingestellt werden. Beispiel für I2C2 auf einem STM32G4318B:

    // Enable port A 
    SET_BIT(RCC->AHB2ENR, RCC_AHB2ENR_GPIOAEN);    

    // I2C2 PA8=SDA, alternate function 4 open-drain (for external pull-ups)
    MODIFY_REG(GPIOA->MODER,  GPIO_MODER_MODE8, 0b10 << GPIO_MODER_MODE8_Pos); // alternate function mode
    MODIFY_REG(GPIOA->AFR[1], GPIO_AFRH_AFSEL8, 4    << GPIO_AFRH_AFSEL8_Pos); // alternate function 4
    SET_BIT(GPIOA->OTYPER, GPIO_OTYPER_OT8); // open-drain

    // I2C2 PA9=SCL, alternate function 4 open-drain (for external pull-ups)
    MODIFY_REG(GPIOA->MODER,  GPIO_MODER_MODE9, 0b10 << GPIO_MODER_MODE9_Pos); // alternate function mode
    MODIFY_REG(GPIOA->AFR[1], GPIO_AFRH_AFSEL9, 4    << GPIO_AFRH_AFSEL9_Pos); // alternate function 4
    SET_BIT(GPIOA->OTYPER, GPIO_OTYPER_OT9); // open-drain

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 "stm32g4xx.h"
#include <stdbool.h>

/**
 * Initialize the I²C interface for master mode.
 *
 * The I/O port mode and alternate function must be configured already.
 * HSI must be on because it is used as clock source.
 *
 * @param registerStruct May be either I2C1, I2C2, I2C3 or I2C4
 * @param fastMode false=100 kHz, true=400 kHz
 */
void i2c_init(I2C_TypeDef* registerStruct, bool fastMode) {

    // Select HSI as clock source for the I²C interface
    #ifdef I2C1
        if (registerStruct==I2C1) {
            MODIFY_REG(RCC->CCIPR, RCC_CCIPR_I2C1SEL, 0b10 << RCC_CCIPR_I2C1SEL_Pos);
            SET_BIT(RCC->APB1ENR1, RCC_APB1ENR1_I2C1EN);
        }
    #endif
    #ifdef I2C2
        if (registerStruct==I2C2) {
            MODIFY_REG(RCC->CCIPR, RCC_CCIPR_I2C2SEL, 0b10 << RCC_CCIPR_I2C2SEL_Pos);
            SET_BIT(RCC->APB1ENR1, RCC_APB1ENR1_I2C2EN);
        }
    #endif
    #ifdef I2C3
        if (registerStruct==I2C3) {
            MODIFY_REG(RCC->CCIPR, RCC_CCIPR_I2C3SEL, 0b10 << RCC_CCIPR_I2C3SEL_Pos);
            SET_BIT(RCC->APB1ENR1, RCC_APB1ENR1_I2C3EN);
        }
    #endif
    #ifdef I2C4
        if (registerStruct==I2C4) {
            MODIFY_REG(RCC->CCIPR2, RCC_CCIPR2_I2C4SEL, 0b10 << RCC_CCIPR2_I2C4SEL_Pos);
            SET_BIT(RCC->APB1ENR2, RCC_APB1ENR2_I2C4EN);
        }
    #endif

    // Disable the I²C peripheral
    CLEAR_BIT(registerStruct->CR1, I2C_CR1_PE);

    // Configure timing for 16 MHz (see "I2C_TIMINGR register configuration examples" in reference manual)
    if (fastMode) {
        MODIFY_REG(registerStruct->TIMINGR, I2C_TIMINGR_PRESC,  0x01 << I2C_TIMINGR_PRESC_Pos);
        MODIFY_REG(registerStruct->TIMINGR, I2C_TIMINGR_SCLL,   0x09 << I2C_TIMINGR_SCLL_Pos);
        MODIFY_REG(registerStruct->TIMINGR, I2C_TIMINGR_SCLH,   0x03 << I2C_TIMINGR_SCLH_Pos);
        MODIFY_REG(registerStruct->TIMINGR, I2C_TIMINGR_SDADEL, 0x02 << I2C_TIMINGR_SDADEL_Pos);
        MODIFY_REG(registerStruct->TIMINGR, I2C_TIMINGR_SCLDEL, 0x03 << I2C_TIMINGR_SCLDEL_Pos);
    }
    else {
        MODIFY_REG(registerStruct->TIMINGR, I2C_TIMINGR_PRESC,  0x03 << I2C_TIMINGR_PRESC_Pos);
        MODIFY_REG(registerStruct->TIMINGR, I2C_TIMINGR_SCLL,   0x13 << I2C_TIMINGR_SCLL_Pos);
        MODIFY_REG(registerStruct->TIMINGR, I2C_TIMINGR_SCLH,   0x0F << I2C_TIMINGR_SCLH_Pos);
        MODIFY_REG(registerStruct->TIMINGR, I2C_TIMINGR_SDADEL, 0x02 << I2C_TIMINGR_SDADEL_Pos);
        MODIFY_REG(registerStruct->TIMINGR, I2C_TIMINGR_SCLDEL, 0x04 << I2C_TIMINGR_SCLDEL_Pos);
    }

    // Stop and Restart signals will be generated by software
    CLEAR_BIT(registerStruct->CR2, I2C_CR2_AUTOEND);

    // Enable the I²C peripheral
    SET_BIT(registerStruct->CR1, I2C_CR1_PE);
}


/**
 * Sub-Function of i2c_communicate.
 * Configures number of data bytes to send or receive in the current block.
 */
void configureBlockSize(I2C_TypeDef* registerStruct, int size) {
    if (size>255) {
        // Set number of bytes to send or receive in this block
        MODIFY_REG(registerStruct->CR2, I2C_CR2_NBYTES, 255 << I2C_CR2_NBYTES_Pos);

        // Prepare to transfer more blocks after this one
        SET_BIT(registerStruct->CR2, I2C_CR2_RELOAD);
    }
    else {
        // Number of bytes to send or receive in the last block
        MODIFY_REG(registerStruct->CR2, I2C_CR2_NBYTES, size << I2C_CR2_NBYTES_Pos);

        // After this block, no more blocks will be transferred
        CLEAR_BIT(registerStruct->CR2, I2C_CR2_RELOAD);
    }
}


/**
 * 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, I2C2, I2C3 or I2C4
 * @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) {
    int receive_count=-1;

    // Set slave address (shifted 1 bit to the left)
    MODIFY_REG(registerStruct->CR2, I2C_CR2_SADD, slave_addr << 1);

    // Send data
    if (send_size>0) {
        // Data direction
        CLEAR_BIT(registerStruct->CR2, I2C_CR2_RD_WRN);

        // Configure size of the first data block to send
        configureBlockSize(registerStruct, send_size);

        // Send start condition
        SET_BIT(registerStruct->CR2, I2C_CR2_START);

        // Send data
        do {
            // Check for error
            if (READ_BIT(registerStruct->ISR, I2C_ISR_NACKF | I2C_ISR_ARLO)) {
                goto error;
            }

            // Send one byte when ready
            if (READ_BIT(registerStruct->ISR, I2C_ISR_TXIS)) {
                registerStruct->TXDR = *((uint8_t*)send_buffer);
                send_buffer++;
                send_size--;
            }

            // Configure size of next block, if requested
            if (READ_BIT(registerStruct->ISR, I2C_ISR_TCR)) {
                configureBlockSize(registerStruct, send_size);
            }
        }
        // Loop  until the transfer is complete
        while (!READ_BIT(registerStruct->ISR, I2C_ISR_TC));
    }

    // Sending succeeded, start counting the received bytes
    receive_count=0;

    // Receive data
    if (receive_size>0) {
        // Data direction
        SET_BIT(registerStruct->CR2, I2C_CR2_RD_WRN);

        // Configure size of the first data block to receive
        configureBlockSize(registerStruct, receive_size);

        // Send start or restart condition
        SET_BIT(registerStruct->CR2, I2C_CR2_START);

        // Receive data
        do {
            // Check for error
            if (READ_BIT(registerStruct->ISR, I2C_ISR_ARLO)) {
                goto error;
            }

            // Fetch one received byte when ready
            if (READ_BIT(registerStruct->ISR, I2C_ISR_RXNE)) {
                *((uint8_t*)receive_buffer) = registerStruct->RXDR;
                receive_buffer++;
                receive_count++;
                receive_size--;
            }

            // Configure size of next block, if requested
            if (READ_BIT(registerStruct->ISR, I2C_ISR_TCR)) {
                configureBlockSize(registerStruct, receive_size);
            }
        }
        // Loop  until the transfer is complete
        while (!READ_BIT(registerStruct->ISR, I2C_ISR_TC));
    }

    // Send stop condition
    SET_BIT(registerStruct->CR2, I2C_CR2_STOP);

    return receive_count;

    error:
    // Restart the I²C peripheral
    CLEAR_BIT(registerStruct->CR1, I2C_CR1_PE);
    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. Anwendungsbeispiel:

#include "stm32g4xx.h"
#include <stdbool.h>

// Delay loop for the default 16 MHz
void delay(uint32_t msec) {
    for (uint32_t j=0; j < msec * 3200; j++) {
        __NOP();
    }
}

int main() {
    // Enable port A
    SET_BIT(RCC->AHB2ENR, RCC_AHB2ENR_GPIOAEN);

    // I2C2 PA8=SDA, alternate function 4 open-drain (for external pull-ups)
    MODIFY_REG(GPIOA->MODER,  GPIO_MODER_MODE8, 0b10 << GPIO_MODER_MODE8_Pos); // alternate function mode
    MODIFY_REG(GPIOA->AFR[1], GPIO_AFRH_AFSEL8, 4    << GPIO_AFRH_AFSEL8_Pos); // alternate function 4
    SET_BIT(GPIOA->OTYPER, GPIO_OTYPER_OT8); // open-drain

    // I2C2 PA9=SCL, alternate function 4 open-drain (for external pull-ups)
    MODIFY_REG(GPIOA->MODER,  GPIO_MODER_MODE9, 0b10 << GPIO_MODER_MODE9_Pos); // alternate function mode
    MODIFY_REG(GPIOA->AFR[1], GPIO_AFRH_AFSEL9, 4    << GPIO_AFRH_AFSEL9_Pos); // alternate function 4
    SET_BIT(GPIOA->OTYPER, GPIO_OTYPER_OT9); // open-drain

    // Enable port C
    SET_BIT(RCC->AHB2ENR, RCC_AHB2ENR_GPIOCEN);

    // PC6 = Output for LED
    MODIFY_REG(GPIOC->MODER, GPIO_MODER_MODE6, 0b01 << GPIO_MODER_MODE6_Pos);

    i2c_init(I2C2, false);

    while (1) {
        // LED on
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS6;
        delay(100);

        uint8_t send_buffer[]={0};
        uint8_t receive_buffer[5];
        i2c_communicate(I2C2, 8, send_buffer, 1, receive_buffer, 5);

        // LED off
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BR6;
        delay(900);
    }
}

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

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.

Der Takt für die USB Schnittstelle wird normalerweise vom HSI48 Oszillator bezogen, der sich selbst kalibriert. Es ist kein Quarz nötig. Der APB1 Bus muss mit mindestens 10 MHz getaktet werden.

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

Der Chip hat einen internen 1,5k Ω Pull-Up Widerstand an D+, der im Register USB->BCDR Bit 15 (DPPU) eingeschaltet wird. Indem man den Pull-Up Widerstand aus und wieder ein schaltet, 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

Mit Cube MX kann man sich ein Projekt mit USB Unterstützung zusammen klicken. Das geht so:

• Ein neues Projekt anlegen, dabei den richtigen Mikrocontroller einstellen.
• Im Reiter Pinout&Configuration
  • Bei System Core/SYS soll die "Debug Option: Serial Wire" und "Timebase Source: SysTick" gewählt werden.
  • Bei Connectivity/USB das "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 HSI48 als Taktquelle für USB eingestellt wurde.
• Gebe dem Projekt im Reiter Project Manager einen Namen und stelle als Toolchain deine "STM32CubeIDE" ein.

Um Text vom Mikrocontroller an den PC zu senden, füge im Quelltext von main.c folgendes zwischen die "USER CODE" 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!\n";
        CDC_Transmit_FS( (uint8_t*) msg, strlen(msg));

  }
  /* USER CODE END 3 */

Das Programm belegt etwa 20 KiB Flash und 5 KiB RAM. Davon dienen jeweils 1 KiB als Sendepuffer und Empfangspuffer (kann man ändern). Die Ausgabe kann man mit einem Terminal-Programm anzeigen, indem man damit den virtuellen COM Port (VCP) öffnet. Die Baudrate wird igoriert. Unter Linux geht es auch ganz simpel mit dem Befehl cat /dev/ttyACM0.

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

#include <stdio.h>

// 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 STM32G431CB_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. Das Programm belegt nur 4 KiB Flash und 600 Bytes RAM. Davon dienen jeweils 256 Byte als Sendepuffer und Empfangspuffer (kann man ändern).

Das Projekt wurde mit der STM32 Cube IDE für das WeAct STM32G431 Core Board erstellt. Ich gehe davon aus, daß der Code unverändert auf allen STM32G4 Modellen läuft.

Das Programm lässt die LED an PC6 jede Sekunde aufblitzen und sendet dabei "Hello World!" über USB an den angeschlossenen Computer:

#include "stm32g4xx.h"
#include "usb.h"

// Delay loop for the default 16 MHz
void delay(uint32_t msec) {
    for (uint32_t j=0; j < msec * 3200; j++) {
        __NOP();
    }
}

int main() {
    // Enable port A, port C, system config and USB
    SET_BIT(RCC->AHB2ENR,  RCC_AHB2ENR_GPIOAEN);
    SET_BIT(RCC->AHB2ENR,  RCC_AHB2ENR_GPIOCEN);
    SET_BIT(RCC->APB2ENR,  RCC_APB2ENR_SYSCFGEN);
    SET_BIT(RCC->APB1ENR1, RCC_APB1ENR1_USBEN);

    // PC6 = Output for LED
    MODIFY_REG(GPIOC->MODER, GPIO_MODER_MODE6, 0b01 << GPIO_MODER_MODE6_Pos);

    // Switch the HSI48 oscillator for USB on
    SET_BIT(RCC->CRRCR, RCC_CRRCR_HSI48ON);
    while(!READ_BIT(RCC->CRRCR, RCC_CRRCR_HSI48RDY)) {}
    MODIFY_REG(RCC->CCIPR, RCC_CCIPR_CLK48SEL, 0b00 << RCC_CCIPR_CLK48SEL_Pos);

    // Enable the internal Pull-Up resistor for USB
    SET_BIT(USB->BCDR, USB_BCDR_DPPU);

    UsbSetup();

    while (1) {
        // LED on
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS6;
        delay(100);

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

        // LED off
        GPIOC->BSRR =GPIO_BSRR_BR6;
        delay(900);
    }
} 

Die Ausgabe kann man mit einem Terminal-Programm anzeigen, indem man damit den virtuellen COM Port (VCP) öffnet. Die Baudrate wird igoriert. Unter Linux geht es auch ganz simpel mit dem Befehl cat /dev/ttyACM0.

Nach der Initialisierung mittels UsbSetup() wird die Funktion UsbSendStr() benutzt, um Zeichenketten zu senden. UsbSetup setzt voraus, dass der Takt bereits korrekt konfiguriert ist. Die entsprechenden Zeilen habe ich oben fett hervorgehoben. Schaue für weitere Funktionen in die Datei usb.h.

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

#include <stdio.h>

// Use the USB port for standard output
int _write(int file, char *ptr, int len) {
    return UsbSendBytes(ptr, len, 10);
}

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.

Echtzeituhr

Die RTC besteht aus einem 32 kHz Quarz-Oszillator und einer Reihe verketteter Zähler, um auf Sekunden, Minuten, Stunden, Tage, Monate und Jahre zu kommen. Der Oszillator von der RTC läuft schon ohne Kalibrierung wesentlich geauer, als der Haupt-Quarz.

Zwei Alarm-Zeiten sind programmierbar und die Uhr kann sich den Zeitstempel von einem Ereignis merken.

Nach einem Stromausfall ohne bzw. mit leerer Batterie werden die Zähler automatisch auf 0 gesetzt und die Uhr angehalten. Die STM32G4 enthalten eine Ladeschaltung für die Batterie, deren Ladestrom in zwei Stufen einstellbar ist.

Neben der Uhr enthält die batteriegepufferte Einheit je nach Modell 16 oder 32 so genannte "Backup Register", in denen 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.

Die Application Note AN4759 beschreibt, wie man die RTC benutzt. Wenn der Systemtakt geringer ist als 230 kHz, dann muss man die Verwendung der Schatten-Register deaktivieren. In den folgenden Beispielen gehe ich davon aus, dass der Systemtak hoch genug ist.

RTC starten

void initRtc() {
    // Enable the power interface
    SET_BIT(RCC->APB1ENR1, RCC_APB1ENR1_PWREN);

    // Enable access to the backup domain
    SET_BIT(PWR->CR1, PWR_CR1_DBP);

    // Enable LSE oscillator with medium driver power
    MODIFY_REG(RCC->BDCR, RCC_BDCR_LSEDRV, 0b10 << RCC_BDCR_LSEDRV_Pos);
    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, 0b01 << RCC_BDCR_RTCSEL_Pos);

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

Aufwachen

Die RTC kann regelmäßige Unterbrechungen erzeugen. Diese sind zum Beispiel praktisch, um die CPU in regelmäßigen Intervallen aus Sleep, Stop und Standby Zuständen zu erwecken. Der folgende Code löst jede Sekunde einen Interrupt aus.

void initWakeup() {
    // Unlock the write protection
    RTC->WPR = 0xCA;
    RTC->WPR = 0x53;

    // Stop the wakeup timer to allow configuration update
    CLEAR_BIT(RTC->CR, RTC_CR_WUTE);

    // Wait until the wakeup timer is ready for configuration update
    while (!READ_BIT(RTC->ICSR, RTC_ICSR_WUTWF)) {};

    // Clock source of the wakeup timer is 1 Hz
    MODIFY_REG(RTC->CR, RTC_CR_WUCKSEL, 0b100 << RTC_CR_WUCKSEL_Pos);

    // The wakeup period is 0+1 clock pulses
    RTC->WUTR = 0;

    // Enable the wakeup timer with interrupts
    SET_BIT(RTC->CR, RTC_CR_WUTE + RTC_CR_WUTIE);

    // Switch the write protection back on
    RTC->WPR = 0xFF;

    // Enable interrupt
    SET_BIT(EXTI->IMR1, EXTI_IMR1_IM20);
    SET_BIT(EXTI->RTSR1, EXTI_RTSR1_RT20);
    NVIC_EnableIRQ(RTC_WKUP_IRQn);

    // Clear (old) pending interrupt flag    
    SET_BIT(RTC->SCR, RTC_SCR_CWUTF);   // Clear in RTC
    SET_BIT(EXTI->PR1, EXTI_PR1_PIF20); // Clear in EXTI
}

void RTC_WKUP_IRQHandler() {
    // Clear pending interrupt flag in EXTI
    // It is important that this is not the last command in the ISR
    SET_BIT(EXTI->PR1, EXTI_PR1_PIF20);

    // Clear pending interrupt flag in RTC
    SET_BIT(RTC->SCR, RTC_SCR_CWUTF);
}

Im folgenden Anwendungsbeispiel wird die schlafende CPU jede Sekunde aufgeweckt:

#include "stm32g4xx.h"

// Delay loop for the default 16 MHz
void delay(uint32_t msec) {
    for (uint32_t j=0; j < msec * 3200; j++) {
        __NOP();
    }
} 

int main() {
    // Give the debugger time to connect
    delay(5000);
    
    // Enable clock for port C
    SET_BIT(RCC->AHB2ENR,  RCC_AHB2ENR_GPIOCEN);

    // PC6 = Output for LED
    MODIFY_REG(GPIOC->MODER, GPIO_MODER_MODE6, 0b01 << GPIO_MODER_MODE6_Pos);

    initRtc();
    initWakeup();

    while (1) {
        // Flash the LED 1x
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS6;
        delay(50);
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BR6;

        // Enter sleep mode
        __WFI();       
    }
}

⭐ Da dein Programm die CPU schlafen legt, empfiehlt sich ein 5s Delay ganz am Anfang der main() Funktion. Der Debugger bekommt dadurch genug Zeit, sich vorher zu verbinden. Wenn du einen Debugger ohne Reset-Leitung verwendest, musst du den Reset-Taster drücken, um die CPU aufzuwecken.

RTC Lesen

Man kann die Uhrzeit und das Datum direkt aus den entsprechenden Registern auslesen. Die Hardware verwendet dabei Schatten-Register, die automatisch mit der langsamen RTC synchronisiert werden. Das folgende Beispiel baut auf die obigen Funktionen auf:

#include "stm32g4xx.h"
#include "usb.h"
#include <stdio.h>

// Use the USB port for standard output (for printf)
int _write(int file, char *ptr, int len) {
    return UsbSendBytes(ptr, len, 10);
}

int main() {
    // Enable port A, port C, system config and USB
    SET_BIT(RCC->AHB2ENR,  RCC_AHB2ENR_GPIOAEN);
    SET_BIT(RCC->AHB2ENR,  RCC_AHB2ENR_GPIOCEN);
    SET_BIT(RCC->APB2ENR,  RCC_APB2ENR_SYSCFGEN);
    SET_BIT(RCC->APB1ENR1, RCC_APB1ENR1_USBEN);

    // PC6 = Output for LED
    MODIFY_REG(GPIOC->MODER, GPIO_MODER_MODE6, 0b01 << GPIO_MODER_MODE6_Pos);

    // Switch the HSI48 oscillator for USB on
    SET_BIT(RCC->CRRCR, RCC_CRRCR_HSI48ON);
    while(!READ_BIT(RCC->CRRCR, RCC_CRRCR_HSI48RDY)) {}
    MODIFY_REG(RCC->CCIPR, RCC_CCIPR_CLK48SEL, 0b00 << RCC_CCIPR_CLK48SEL_Pos);

    // Enable the internal Pull-Up resistor for USB
    SET_BIT(USB->BCDR, USB_BCDR_DPPU);

    UsbSetup();
    initRtc();

    while (1) {
        // Flash the LED
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS6;
        delay(50);
        GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BR6;

        // Extract digits from the RTC time register
        uint8_t ht= (RTC->TR & RTC_TR_HT)  >> RTC_TR_HT_Pos;
        uint8_t hu= (RTC->TR & RTC_TR_HU)  >> RTC_TR_HU_Pos;
        uint8_t mnt=(RTC->TR & RTC_TR_MNT) >> RTC_TR_MNT_Pos;
        uint8_t mnu=(RTC->TR & RTC_TR_MNU) >> RTC_TR_MNU_Pos;
        uint8_t st= (RTC->TR & RTC_TR_ST)  >> RTC_TR_ST_Pos;
        uint8_t su= (RTC->TR & RTC_TR_SU)  >> RTC_TR_SU_Pos;

        // Print the time
        printf("Time: %d%d:%d%d:%d%d\n", ht,hu, mnt,mnu, st,su);

        // Extract digits from the RTC date register
        uint8_t yt= (RTC->DR & RTC_DR_YT) >> RTC_DR_YT_Pos;
        uint8_t yu= (RTC->DR & RTC_DR_YU) >> RTC_DR_YU_Pos;
        uint8_t mt= (RTC->DR & RTC_DR_MT) >> RTC_DR_MT_Pos;
        uint8_t mu= (RTC->DR & RTC_DR_MU) >> RTC_DR_MU_Pos;
        uint8_t dt= (RTC->DR & RTC_DR_DT) >> RTC_DR_DT_Pos;
        uint8_t du= (RTC->DR & RTC_DR_DU) >> RTC_DR_DU_Pos;

        // Print the date
        printf("Date: %d%d-%d%d-%d%d\n", yt,yu, mt,mu, dt,du);

        // Wait a while
        delay(3000);
    }
}

Im Control Register RTC->CR kann man die Anzeige der Zeit beeinflussen:

• SUB1H Subtrahiere eine Stunde
• ADD1H Addiere eine Stunde (für Sommerzeit)

RTC Beschreiben

Datum, Uhrzeit und einige Bits im Control Register sind ziemlich gut gegen versehentliche Änderungen geschützt. Sie lassen sich nur im sogenannten Initialisierungs-Modus beschreiben, wenn der Schreibgeschutz aufgehoben wurde.

Man darf die reservierten Bits nicht verändern. Außerdem muss man nach jedem Schreibzugriff eine Synchronisation der Schatten-Register auslösen und abwarten. Deswegen ist es gut alle Bits im RTC->TR bzw. RTC->DR Register gleichzeitig zu setzen.

Die folgende Prozedur ändert Datum und Uhrzeit unter Berücksichtigung der obigen Aspekte:

/**
 * Write digits to the RTC time register in 24h format.
 * @param ht tens of hour
 * @param hu ones of hour
 * @param mnt tens of minute
 * @param mnu ones of minute
 * @param st tens of second
 * @param su ones of second
 */
void RTC_write_time(uint8_t ht, uint8_t hu, uint8_t mnt, uint8_t mnu, uint8_t st, uint8_t su) {

    // Calculate the new value for the time register
    uint32_t tmp = RTC->TR;
    tmp &= ~(RTC_TR_HT+RTC_TR_HU+RTC_TR_MNT+RTC_TR_MNU+RTC_TR_ST+RTC_TR_SU+RTC_TR_PM); // Keep only the reserved bits
    tmp += (uint32_t) ht << RTC_TR_HT_Pos;
    tmp += (uint32_t) hu << RTC_TR_HU_Pos;
    tmp += (uint32_t) mnt << RTC_TR_MNT_Pos;
    tmp += (uint32_t) mnu << RTC_TR_MNU_Pos;
    tmp += (uint32_t) st << RTC_TR_ST_Pos;
    tmp += (uint32_t) su << RTC_TR_SU_Pos;

    // Unlock the write protection
    RTC->WPR = 0xCA;
    RTC->WPR = 0x53;

    // Enter initialization mode
    SET_BIT(RTC->ICSR, RTC_ICSR_INIT);

    // Wait until the initialization mode is active
    while (!READ_BIT(RTC->ICSR, RTC_ICSR_INITF)) {};

    // The 24h format is already the default
    // CLEAR_BIT(RTC->CR, RTC_CR_FMT);

    // Update the time register
    RTC->TR = tmp;

    // Leave the initialization mode
    CLEAR_BIT(RTC->ICSR, RTC_ICSR_INIT);

    // Trigger a synchronization of the shadow registers
    CLEAR_BIT(RTC->ICSR, RTC_ICSR_RSF);

    // Wait until the shadow registers are synchronized
    while (!READ_BIT(RTC->ICSR, RTC_ICSR_RSF)) {};

    // Switch the write protection back on
    RTC->WPR = 0xFF;
}

/**
 * Write digits to the RTC date register.
 * @param yt tens of year
 * @param yu ones of year
 * @param mt tens of month
 * @param mu ones of month
 * @param dt tens of day
 * @param du ones of day
 * @param wdu week day (1-7)
 */
void RTC_write_date(uint8_t yt, uint8_t yu, uint8_t mt, uint8_t mu, uint8_t dt, uint8_t du, uint8_t wdu) {

    // Calculate the new value for the date register
    uint32_t tmp = RTC->DR;
    tmp &= ~(RTC_DR_YT+RTC_DR_YU+RTC_DR_MT+RTC_DR_MU+RTC_DR_DT+RTC_DR_DU+RTC_DR_WDU); // Keep only the reserved bits
    tmp += (uint32_t) yt << RTC_DR_YT_Pos;
    tmp += (uint32_t) yu << RTC_DR_YU_Pos;
    tmp += (uint32_t) mt << RTC_DR_MT_Pos;
    tmp += (uint32_t) mu << RTC_DR_MU_Pos;
    tmp += (uint32_t) dt << RTC_DR_DT_Pos;
    tmp += (uint32_t) du << RTC_DR_DU_Pos;
    tmp += (uint32_t) wdu << RTC_DR_WDU_Pos;

    // Unlock the write protection
    RTC->WPR = 0xCA;
    RTC->WPR = 0x53;

    // Enter initialization mode
    SET_BIT(RTC->ICSR, RTC_ICSR_INIT);

    // Wait until the initialization mode is active
    while (!READ_BIT(RTC->ICSR, RTC_ICSR_INITF)) {};

    // Update the time register
    RTC->DR = tmp;

    // Leave the initialization mode
    CLEAR_BIT(RTC->ICSR, RTC_ICSR_INIT);

    // Trigger a synchronization of the shadow registers
    CLEAR_BIT(RTC->ICSR, RTC_ICSR_RSF);

    // Wait until the shadow registers are synchronized
    while (!READ_BIT(RTC->ICSR, RTC_ICSR_RSF)) {};

    // Switch the write protection back on
    RTC->WPR = 0xFF;
}

int main() {
    ...
    initRtc();

    // Change the time to 18:33:45
    RTC_write_time(1,8, 3,3, 4,5);

    // Change the date to 26-02-21 (21th Feb. 2026), 6=saturday
    RTC_write_date(2,6, 0,2, 2,1, 6);

    ...
}

RTC kalibrieren

Die RTC erreicht normalerweise ohne Kalibrierung eine Abweichung von maximal zwei Sekunden pro Tag. Durch Kalibrierung kann man die Genauigkeit weiter verbessern. 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.

Das RTC->CALR Register kann erst nach Deaktivierung des Schreibschutzes verändert werden. Wenn die Uhr zu langsam läuft, setzt man das Bit CALP, um die Uhr genau 42,206 Sekunden pro Tag zu beschleunigen. Dann reduziert man ihre Geschwindigkeit durch den Wert in den CALM Bits. Jede Stufe dort entspricht 0,0824 Sekunden pro Tag.

Wenn die Uhr zum Beispiel 4 Sekunden pro Tag zu langsam wäre, ergäbe sich folgende Rechnung:

Abweichung:                  4,000 Sekunden
CALP:                      -42,206 Sekunden    (setze RTC->CALR.CALP auf 1)
CALM:     464 * 0,0824 =   +38,234 Sekunden    (setze RTC->CALR.CALM auf 464)
===========================================
Summe:                       0,028 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 STM32 ausprobieren möchtest, kannst du so anfangen:

• Installiere die Arduino IDE
• 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.

Serielle Ports in Arduino

• CDC generic serial: meint einen virtuellen COM Port über den USB Anschluss des Mikrocontrollers (PA11,PA12).
• Enabled generic serial: meint den bevorzugten seriellen Port des Boardes. Beim Nucleo64 Board ist dann Serial=Serial2 (denn USART2 ist mit dem ST-Link Adapter verbunden).

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() {
    // PC6 is connected to the LED
    pinMode(PC6, OUTPUT);
}

void loop() {
    digitalWrite(PC6, LOW);
    Serial.println("Tick");
    delay(500);

    digitalWrite(PC6, HIGH);
    Serial.println("Tack");
    delay(500);
}

Die Ausgabe kann man mit dem seriellen Monitor oder einem Terminal-Programm anzeigen, indem man damit den virtuellen COM Port (VCP) öffnet. Die Baudrate wird ignoriert. Im Terminalprogramm muss das DTR Signal eingeschaltet sein (deswegen geht es hier nicht einfach mit dem cat Befehl). Wenn der PC die Zeichen nicht abholt, wird nach ein paar Sekunden der Puffer voll, und dann bleibt der Mikrocontroller in einer Warteschleife hängen (die LED hört auf zu blinken).