Гей У. - Основы STM32. Изучаем FreeRTOS, libopencm3 и GCC [2024, PDF, RUS]

От издательства..........................................................................................................15
Об авторе.....................................................................................................................16
Глава 1 • Введение...................................................................................................17
Текстовые соглашения...............................................................................................18
SТМ32F103C8T6...........................................................................................................18
FreeRTOS.......................................................................................................................20
libopencm3....................................................................................................................21
Никаких Ардуино!.......................................................................................................21
Никаких IDE.................................................................................................................22
Фреймворк разработчика..........................................................................................23
Для кого написана эта книга?...................................................................................23
Что вам потребуется?.................................................................................................23
Программатор ST-Link V2......................................................................................24
Макетная плата.......................................................................................................25
Провода DuPont (перемычки)...............................................................................25
Развязывающие конденсаторы 0.1 мкФ..............................................................27
Адаптер последовательного порта USB-TTL.......................................................28
Источник питания..................................................................................................29
Мелочи......................................................................................................................30
Итоги.............................................................................................................................31
Глава 2 • Настройка программного обеспечения.............................................32
Используемые соглашения о каталогах...................................................................32
Операционное ПО.......................................................................................................32
ПО для книги...............................................................................................................33
Клонирование с помощью учетной записи github............................................33
Анонимная загрузка с github................................................................................33
libopencm3................................................................................................................33
Ядро FreeRTOS.........................................................................................................34
Кросс-компилятор ARM.........................................................................................34
Создание программного обеспечения....................................................................37
Инструмент ST-Link....................................................................................................37
Установки для пользователей Windows...................................................................39
Учетная запись и пароль Linux.............................................................................39
Обновление WSL.....................................................................................................40
Запуск Ubuntu..........................................................................................................40
Обновление Ubuntu................................................................................................40
Установка зависимостей........................................................................................41
Установка Windows usbipd.....................................................................................41
Утилита STM32 ST-LINK.........................................................................................43
Итоги.............................................................................................................................45
Глава 3 • Включаем питание и мигаем светодиодом.......................................46
Питание........................................................................................................................46
Стабилизатор +3.3 В...............................................................................................47
USB-питание и вывод +5 В.....................................................................................48
Питание +3.3 В.........................................................................................................48
Правило одного источника питания...................................................................49
Общий провод.............................................................................................................50
Сброс (RESET)..............................................................................................................50
Быстрая проверка.......................................................................................................50
ST-Link V2.....................................................................................................................51
Утилита st-flash...........................................................................................................53
Чтение STM32..........................................................................................................53
Запись flash..............................................................................................................54
Стирание flash.........................................................................................................55
Утилита Windows STM32 ST-LINK.............................................................................55
Функция Info............................................................................................................55
Функция чтения Read.............................................................................................56
Функция записи Write............................................................................................57
Функция стирания Erase........................................................................................58
Итоги.............................................................................................................................58
Дополнительные источники.....................................................................................58
Глава 4 • GPIO...........................................................................................................59
Сборка miniblink..........................................................................................................59
Прошивка miniblink....................................................................................................60
Исходный код miniblink.c ..........................................................................................60
API-интерфейс GPIO...................................................................................................63
Конфигурация GPIO...............................................................................................64
Входные режимы портов.......................................................................................66
Выходные режимы портов....................................................................................67
Двухтактный выход................................................................................................69
Выход с открытым стоком.....................................................................................69
GPIO_MODE_OUTPUT_*_MHZ................................................................................70
Выстраиваем уток в ряд.............................................................................................70
Входы GPIO..............................................................................................................71
Цифровой выход, двухтактный............................................................................71
Цифровой выход, открытый сток.........................................................................71
Характеристики GPIO.................................................................................................72
Пороги входного напряжения..............................................................................73
Пороги выходного напряжения............................................................................73
Программные задержки.............................................................................................74
Проблемы с программной задержкой.................................................................74
Итоги.............................................................................................................................75
Упражнения.................................................................................................................75
Глава 5 • FreeRTOS...................................................................................................77
Возможности FreeRTOS..............................................................................................77
Многозадачность....................................................................................................77
Очереди сообщений...............................................................................................78
Семафоры и мьютексы..........................................................................................79
Таймеры...................................................................................................................79
Группы событий......................................................................................................80
Программа blinky2......................................................................................................80
Сборка и тестирование blinky2.............................................................................84
Выполнение.............................................................................................................84
Файл FreeRTOSConfig.h...............................................................................................84
Соглашение об именах FreeRTOS.............................................................................86
Макроопределения FreeRTOS...............................................................................87
Итоги.............................................................................................................................87
Упражнения.................................................................................................................88
Глава 6 • USART........................................................................................................89
Периферийное устройство USART/UART.................................................................89
Асинхронные данные.............................................................................................89
USB-адаптеры последовательного порта................................................................90
Подключение...........................................................................................................91
Проект uart...................................................................................................................93
Проект...........................................................................................................................96
Проект uart2.................................................................................................................99
USART API...................................................................................................................103
Включаемые файлы..............................................................................................105
Тактовые сигналы.................................................................................................105
Конфигурация.......................................................................................................105
DMA.........................................................................................................................105
Прерывания...........................................................................................................105
Статус ввод/вывод................................................................................................106
Последовательность настроек.................................................................................106
FreeRTOS.....................................................................................................................106
Задачи.....................................................................................................................106
Очереди..................................................................................................................107
Итоги...........................................................................................................................108
Упражнения...............................................................................................................108
Глава 7 • Последовательный порт USB..............................................................109
Проблема с USB на плате Blue Pill..........................................................................109
Введение в USB..........................................................................................................111
Каналы и конечные точки...................................................................................111
Периферийное устройство последовательного порта USB.................................112
Последовательное USB-устройство в Linux......................................................112
Последовательное USB-устройство в macOS....................................................113
Последовательное USB-устройство в Windows.................................................113
USB-выводы GPIO.................................................................................................114
Исходный демокод....................................................................................................114
Функция cdcacm_set_config()...............................................................................115
Функция cdc_control_request().............................................................................116
Функция cdcacm_data_rx_cb()..............................................................................117
Задача USB task......................................................................................................118
USB-прием.............................................................................................................119
USB-отправка.........................................................................................................119
Демопрограмма последовательного порта USB...................................................120
Итоги...........................................................................................................................122
Дополнительные источники...................................................................................122
Упражнения...............................................................................................................123
Глава 8 • Флеш-память с интерфейсом SPI......................................................124
Представление W25QXX...........................................................................................124
Шина последовательного периферийного интерфейса SPI...............................124
Сигнал chip select..................................................................................................126
Соединения и напряжение..................................................................................126
Схема подключения SPI-флеш-памяти.................................................................126
Управление выводом NSS....................................................................................127
Конфигурация STM32 SPI........................................................................................129
Тактовая частота SPI............................................................................................131
Режимы синхронизации SPI...............................................................................132
Порядок битов и длина слова.............................................................................134
Ввод-вывод через SPI...............................................................................................135
Чтение регистра SR1.............................................................................................135
Ожидание готовности..........................................................................................136
Чтение ID производителя....................................................................................136
Запись флеш-памяти............................................................................................137
Стирание флеш-памяти.......................................................................................139
Чтение флеш-памяти...........................................................................................141
Демопрограмма.........................................................................................................142
Запуск демоверсии...............................................................................................143
ID производителя.................................................................................................147
Режим Power Down................................................................................................147
Итоги...........................................................................................................................147
Дополнительные источники...................................................................................147
Упражнения...............................................................................................................148
Глава 9 • Оверлеи...................................................................................................149
Проблема компоновки.............................................................................................149
Раздел MEMORY....................................................................................................150
ENTRY и EXTERN...................................................................................................152
Раздел SECTIONS...................................................................................................152
PROVIDE.................................................................................................................155
Перемещение данных..........................................................................................155
Определение оверлея...............................................................................................156
Код оверлея............................................................................................................157
Заглушки оверлея.................................................................................................158
Диспетчер оверлеев..............................................................................................159
VMA и адреса загрузки.........................................................................................159
Использование в коде имен, созданных компоновщиком............................161
Функция диспетчера оверлеев...........................................................................162
Функция-заглушка................................................................................................163
Демопрограмма.........................................................................................................163
Извлечение оверлеев...........................................................................................164
Демопрограмма (продолжение).........................................................................168
Ловушка при изменении кода............................................................................170
Итоги...........................................................................................................................170
Дополнительные источники...................................................................................171
Упражнения...............................................................................................................171
Глава 10 • Часы реального времени (RTC).......................................................172
Демонстрационные проекты..................................................................................172
RTC с одним прерыванием......................................................................................172
Конфигурация RTC...............................................................................................173
Прерывание и настройка.....................................................................................174
Процедура обработки прерываний....................................................................175
Уведомление о задаче..........................................................................................177
Мьютексы...............................................................................................................179
Демопрограмма.........................................................................................................179
Соединения UART1...............................................................................................182
Запуск демопрограммы.......................................................................................182
Прерывание rtc_alarm_isr()......................................................................................184
EXTI-контроллер...................................................................................................185
Итоги...........................................................................................................................186
Упражнения...............................................................................................................187
Глава 11 • Интерфейс I2C.....................................................................................188
Шина I2C.....................................................................................................................188
Ведущий и ведомый.............................................................................................188
Старт и стоп...........................................................................................................189
Биты данных..........................................................................................................189
I2C-адрес................................................................................................................190
I2C-транзакции.....................................................................................................191
PCF8574: расширитель GPIO...................................................................................192
Подключение через I2C............................................................................................193
Линия INT микросхемы PCF8574 .......................................................................194
Конфигурация PCF8574............................................................................................195
Подключение нагрузки к GPIO микросхемы PCF8574....................................196
Формирование фронтов......................................................................................197
Демосхема..................................................................................................................197
Программное обеспечение I2C...............................................................................200
Проверка готовности I2C.....................................................................................201
Запуск I2C...............................................................................................................202
Запись I2C..............................................................................................................203
Чтение I2C..............................................................................................................204
Перезапуск I2C......................................................................................................204
Демопрограмма.........................................................................................................205
Демосессия.............................................................................................................207
Итоги...........................................................................................................................209
Упражнения...............................................................................................................209
Глава 12 • Дисплеи OLED......................................................................................210
OLED-дисплей...........................................................................................................210
Конфигурация.......................................................................................................211
Подключение дисплея..........................................................................................212
Свойства дисплея......................................................................................................213
Схема демонстрационного примера.....................................................................214
AFIO.............................................................................................................................214
Графика.......................................................................................................................216
Растровое изображение.......................................................................................217
Запись растра........................................................................................................219
Программное обеспечение изображения вольтметра....................................219
Главный модуль.....................................................................................................221
Демопрограмма.........................................................................................................223
Итоги...........................................................................................................................224
Упражнения...............................................................................................................224
Глава 13 • OLED с использованием DMA...........................................................225
Проблемы...................................................................................................................225
Схема......................................................................................................................225
Операция прямого доступа к памяти....................................................................225
Выполнение прямого доступа к памяти...........................................................226
Сигналы запроса DMA..........................................................................................226
Демопрограмма.........................................................................................................228
Инициализация DMA...........................................................................................230
Запуск прямого доступа к памяти......................................................................230
Задача управления OLED SPI/DMA....................................................................231
Процедура DMA ISR..............................................................................................234
Перезапуск передачи DMA..................................................................................235
Выполнение демопримера......................................................................................236
Дальнейшие проблемы........................................................................................237
Итоги.......................................................................................................................237
Упражнения...........................................................................................................238
Глава 14 • Аналого-цифровое преобразование..............................................239
Ресурсы STM32F103C8T6..........................................................................................239
Демопрограмма.........................................................................................................240
Аналоговые входы PA0 и PA1..............................................................................240
Конфигурация периферийного устройства АЦП.............................................240
Запуск демопрограммы...........................................................................................243
Чтение АЦП............................................................................................................243
Аналоговые напряжения.........................................................................................246
Итоги...........................................................................................................................248
Упражнения...............................................................................................................248
Дополнительные источники...................................................................................248
Глава 15 • Дерево тактовых сигналов...............................................................249
Основы........................................................................................................................249
RC-генераторы......................................................................................................250
Кварцевые генераторы........................................................................................250
Питание генераторов...........................................................................................250
Часы реального времени (RTCCLK)........................................................................252
Сторожевой таймер..................................................................................................252
Системный источник (SYSCLK)...............................................................................252
SYSCLK и USB.........................................................................................................254
Шина AHB ..................................................................................................................254
rcc_clock_setup_in_hse_8mhz_out_72mhz()..........................................................255
Периферийные устройства APB1.......................................................................258
Периферийные устройства APB2.......................................................................259
Таймеры.................................................................................................................259
Функция rcc_set_mco()..........................................................................................259
Демопример HSI........................................................................................................260
Демопример HSE.......................................................................................................261
Демонстрация частоты ФАПЧ/2..............................................................................262
Итоги...........................................................................................................................262
Дополнительные источники...................................................................................263
Упражнения...............................................................................................................263
Глава 16 • Режим PWM таймера 2......................................................................264
PWM-сигналы............................................................................................................264
Таймер 2.....................................................................................................................265
PWM-цикл..................................................................................................................268
Вычисление предварительного делителя таймера..........................................269
Цикл 30 Гц..............................................................................................................269
Подключение сервопривода....................................................................................270
Запуск демопрограммы...........................................................................................271
PWM на PB3................................................................................................................271
Другие таймеры.........................................................................................................272
Больше PWM-каналов..........................................................................................273
Итоги...........................................................................................................................273
Дополнительные источники...................................................................................274
Упражнения...............................................................................................................274
Глава 17 • PWM-вход с таймером 4...................................................................275
Сервосигнал...............................................................................................................275
Напряжение сигнала.................................................................................................275
Демопроект................................................................................................................276
Конфигурация GPIO.............................................................................................276
Конфигурация таймера 4.....................................................................................276
Цикл task1..............................................................................................................278
Процедура обработки прерывания ISR.............................................................278
Запуск демопрограммы...........................................................................................279
Вывод результатов сессии...................................................................................281
Входы таймера...........................................................................................................281
Итоги...........................................................................................................................283
Упражнения...............................................................................................................283
Глава 18 • Шина CAN.............................................................................................284
Шина CAN...................................................................................................................284
Дифференциальные сигналы..................................................................................286
Доминантный/Рецессивный...............................................................................287
Шинный арбитраж....................................................................................................288
Синхронизация.....................................................................................................289
Формат сообщения...............................................................................................289
Ограничение STM32.................................................................................................290
Демопрограмма.........................................................................................................290
Сборка программы...............................................................................................291
UART-интерфейс...................................................................................................291
Прошивка микроконтроллеров..........................................................................292
Шина для демонстрации......................................................................................292
Запуск демопрограммы...........................................................................................293
CAN-сообщения....................................................................................................296
Синхронизация.....................................................................................................296
Итоги...........................................................................................................................296
Дополнительные источники...................................................................................297
Глава 19 • Программное обеспечение CAN-шины..........................................298
Инициализация.........................................................................................................298
Функция can_init().................................................................................................300
Приемные фильтры CAN.....................................................................................301
Прерывания приема CAN....................................................................................302
Прием в приложении...........................................................................................305
Отправка CAN-сообщений..................................................................................307
Итоги...........................................................................................................................308
Упражнения...............................................................................................................308
Глава 20 • Прерывания UART..............................................................................309
Основы........................................................................................................................309
Подпрограммы обработки прерываний (ISR)..................................................309
Демопрограмма.........................................................................................................310
Разработка программы........................................................................................310
Инициализация тактовых сигналов..................................................................312
Инициализация GPIO...........................................................................................312
Инициализация UART..........................................................................................312
Процедура обработки прерываний....................................................................313
Функция uart_getc()..............................................................................................314
Задача main_task().................................................................................................315
Функция uart_putc()..............................................................................................315
Задача tx_task()......................................................................................................316
Запуск демопрограммы...........................................................................................317
Конфигурация.......................................................................................................317
Запуск демопрограммы.......................................................................................318
Потеря данных......................................................................................................319
Итоги...........................................................................................................................320
Дополнительные источники...................................................................................320
Упражнения...............................................................................................................320
Глава 21 • Новые проекты...................................................................................321
Создание проекта......................................................................................................321
Makefile...................................................................................................................322
Дополнительные Makefile....................................................................................324
Заголовки зависимостей......................................................................................324
Параметры компиляции......................................................................................324
Прошивка 128к......................................................................................................325
FreeRTOS.....................................................................................................................325
Модуль rtos/opencm3.c.........................................................................................325
Модуль rtos/heap_4.c.............................................................................................326
Необходимые модули...........................................................................................327
FreeRTOSConfig.h.......................................................................................................327
Пользовательские библиотеки................................................................................329
Ошибки новичков.....................................................................................................329
Итоги...........................................................................................................................330
Дополнительные источники...................................................................................330
Упражнения...............................................................................................................330
Глава 22 • Поиск неисправностей.......................................................................331
Отладчик GNU (GDB)................................................................................................331
GDB-сервер............................................................................................................331
Удаленный GDB.....................................................................................................332
Текстовый пользовательский интерфейс GDB.................................................335
Проблемы с выводами GPIO периферии...............................................................336
Альтернативная функция не работает..................................................................337
Сбой периферии........................................................................................................338
Сбой прерывания во FreeRTOS...............................................................................338
Переполнение стека.................................................................................................338
Оценка размера стека..............................................................................................339
Когда отладчик не помогает....................................................................................340
Push/Pull (двухтактный выход) или открытый сток............................................340
Дефекты периферии.................................................................................................341
Ресурсы.......................................................................................................................341
Библиотека libopencm3........................................................................................342
Приоритеты задач FreeRTOS...................................................................................343
Планирование в libopencm3................................................................................344
Итоги...........................................................................................................................345
Приложение А • Ответы на упражнения...........................................................346
Приложение Б • Выводы GPIO STM32F103C8T6............................................356
Предметный указатель...........................................................................................359