【原】手把手教你打造最簡(jiǎn)STM32F0 USB開(kāi)發(fā)板

知芯世界 2023-07-17 發(fā)布于黑龍江

展開(kāi)全文

想學(xué)STM32，不知道從哪開(kāi)始的有木有？想學(xué)ARM單片機(jī)，嫌買開(kāi)發(fā)板、調(diào)試器費(fèi)錢(qián)的有木有？買了STM32開(kāi)發(fā)板沒(méi)有資料不會(huì)玩，放在那里吃灰的有木有？買了開(kāi)發(fā)板，照著例子跑通了幾個(gè)程序，依然一頭霧水的有木有？

我是個(gè)非常摳門(mén)的人，搞DIY也省得很——一切從簡(jiǎn)。(太復(fù)雜了的搞不定，軟件硬件都是如此) 所以正在玩的STM32也簡(jiǎn)化到底了，有興趣的看看吧。

這是剛完成的STM32F072 USB開(kāi)發(fā)板，使用48腳LQFP的STM32F072C8T6，也可以使用其它封裝兼容的帶USB型號(hào)，甚至是M3系的STM32F103C8T6這種。上半年從論壇買了塊STM32F091 Nucleo, 但是不帶USB，所以為了學(xué)習(xí)USB自己做一塊咯。下面是電路圖，除了一片1117 3.3V LDO，外圍器件少到極致了吧，晶振不用的話是可以不裝的。板子可以直接通過(guò) USB mini口供電。外圍引出的插針有一路 SPI, 一路 I2S, 一路 UART, 一路 I2C, 一路 8-bit GPIO, 一路 UART/I2C共用，以及幾個(gè)零星的GPIO。這些已方便開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單的USB設(shè)備了。

PCB layout 示意圖

好，STM32F072 10塊錢(qián)以內(nèi)就可以搞定，整個(gè)開(kāi)發(fā)板成本很低了吧。如果你有ST-Link, 或者是帶有ST-Link的STM32 Discovery/Nucleo開(kāi)發(fā)板，用SWD調(diào)試線連上就可以下載程序了。如果沒(méi)有ST-Link, 還可以從串口下載程序，只需要把BOOT0跳線接上即可，因?yàn)镾TM32內(nèi)帶了Bootloader. 如果連串口線都沒(méi)有？呵呵，要是像F072這樣帶USB的，還可以從USB直接下載，別的硬件也省了，怎么樣，夠簡(jiǎn)吧？

OK，來(lái)寫(xiě)第一個(gè)測(cè)試程序：定時(shí)控制LED閃爍。

#include "stm32f0xx.h"
int main(void)
{
RCC->AHBENR |= RCC_AHBENR_GPIOAEN; // enable GPIO port A & B clock
GPIOA->MODER = GPIO_MODER_MODER8_0; // PA8 as general output (LED)
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM6EN; // enable basic timer 6
TIM6->PSC = 9999; // prescaler
TIM6->ARR = 399; // auto reload value
TIM6->CR1 = TIM_CR1_URS|TIM_CR1_CEN; // start counter
while(1)
{
static char a=0;
if(TIM6->SR & TIM_SR_UIF) // check if overflow
{
TIM6->SR &= ~TIM_SR_UIF; // clear flag
if(a==0)
{
GPIOA->BSRR = (1<<8);
a=1;
}
else
{
GPIOA->BRR = (1<<8);
a=0;
}
}
}
}

上面這個(gè)程序所做的事情，先是初始化GPIO, 設(shè)置PA8為輸出口(板子上連了一個(gè)LED)，然后是設(shè)置定時(shí)器Timer 6, 這是一個(gè)自動(dòng)重裝的計(jì)數(shù)器，我把它調(diào)到0.5秒中溢出一次。在下面的循環(huán)里面，就是檢測(cè)溢出標(biāo)志，然后切換LED的亮和滅狀態(tài)。學(xué)過(guò)C語(yǔ)言的，都應(yīng)該看得懂；至于RCC, GPIOA, TIM6 這幾個(gè)結(jié)構(gòu)指針的定義，都在#include的頭文件里面，這是和硬件相關(guān)的，具體請(qǐng)查閱"RM0091 STM32F0x1/STM32F0x2/STM32F0x8 Reference Manual"編程手冊(cè)。

如何編譯上面這個(gè) C 程序，且聽(tīng)下回分解。這里暫且假定編譯成功了，得到一個(gè) HEX 文件，也就是要燒寫(xiě)的二進(jìn)制代碼。

如果你是使用KEIL, IAR等集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，那么用自帶的燒寫(xiě)工具就可以進(jìn)行寫(xiě)入了。如果是像我cruelfox這樣追求精簡(jiǎn)，僅使用GCC命令行工具的，就需要再找下載程序用的軟件了。

如果是使用ST-Link，可以使用ST自己的STVP (Visual Programmer)，這個(gè)東東在ST網(wǎng)站上可以下載到，不過(guò)是包含在九十兆左右的一個(gè)大包"ST Toolset"里面。(下載URL http://www./web/catalog/tools/FM147/CL1794/SC961/SS1533/PF210568 )這個(gè)軟件的界面是這個(gè)樣子的：

主菜單上面 Erase, Program, Verify, Read 功能很明了了，F(xiàn)ile-->Open可以加載HEX文件。第一次運(yùn)行STVP的時(shí)候，要選擇ST-LINK調(diào)試器，和 SWD接口。

如果沒(méi)有ST-Link, 使用串口下載的話，需要"Flash Loader Demostrator"軟件，這個(gè)也可以從ST網(wǎng)站直接下載(URL http://www./st-web-ui/static/active/en/st_prod_software_internet/resource/technical/software/demo_and_example/stsw-mcu005.zip)。下載前要把BOOT0跳線接上，使STM32進(jìn)入Bootloader模式，USART1連接到PC的串口（我用的是FT232RL USB轉(zhuǎn)串口），把MCU加電。運(yùn)行軟件，界面是這樣的：

選擇串口，然后點(diǎn)"Next"，如果成功連上了，則界面變成下面這樣

點(diǎn)"Next"繼續(xù)

這時(shí)已顯示出識(shí)別出的STM32型號(hào)，點(diǎn)"Next"到下一步進(jìn)行具體的操作。

OK, 下載HEX，擦除，上載(讀Flash內(nèi)容) 功能都一看就明白了吧。

第三種下載方式，從USB，需要ST的"DFUSe Demo"軟件，也是從ST網(wǎng)站下載的(URL http://www./st-web-ui/static/active/en/st_prod_software_internet/resource/technical/software/demo_and_example/stsw-stm32080.zip)。也需要把BOOT0跳線接上，還必須連接USB口，然后PC提示找到了新硬件。安裝好驅(qū)動(dòng)以后，再啟動(dòng)軟件，界面如下：

不過(guò)現(xiàn)在不能把HEX文件直接寫(xiě)入，而需要先生成dfu文件，使用一起安裝得到的"DFU File Manager"程序，從HEX生成dfu.

至于 VID, PID 我還是保留和原來(lái)的一致，不然得重新安裝驅(qū)動(dòng)（為什么要使用DFU文件我還沒(méi)理解清楚）。得到dfu文件就可以用上面的軟件燒寫(xiě)了。

怎么樣，我的開(kāi)發(fā)板夠精簡(jiǎn)吧？

STM32F0xx 系列是ARM Cortex-M0架構(gòu)，地址空間32位，也就是4G Bytes的訪問(wèn)范圍。數(shù)據(jù)和代碼使用同一編址，下圖是地址空間的布局：

實(shí)際上單片機(jī)用到的資源很少，地址空間大部分都沒(méi)有內(nèi)容。我使用的STM32F072C8T6帶有64kB的Flash ROM, 16kB的SRAM，起始分別是 0x08000000 和 0x20000000. (由于有硬件映射功能，在0x00000000也就是最低地址，還可以訪問(wèn)ROM或者RAM的內(nèi)容). 單片機(jī)片上外設(shè)的寄存器，則分布在更高的地址空間。讀寫(xiě)這些寄存器，在CPU看來(lái)和讀寫(xiě)內(nèi)存(RAM)操作是一樣的。

所以，C語(yǔ)言訪問(wèn)設(shè)備寄存器，和訪問(wèn)內(nèi)存中的一個(gè)變量一樣。只要知道寄存器的地址，通過(guò)一個(gè)指針訪問(wèn)就可以實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)。上一貼子我的程序中引用了 RCC, GPIOA, TIM6 這三個(gè)(結(jié)構(gòu))指針，它們的值(也就是地址)以及類型(代表訪問(wèn)的內(nèi)容)定義在 stm32f0xx.h 這個(gè)頭文件中。因?yàn)樵O(shè)備寄存器太多了哇，如果每一個(gè)都定義一個(gè)指針就太煩瑣了，所以把按功能劃分定義成組，每組用一個(gè)C語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)類型表示，寫(xiě)起來(lái)也更清晰。而寄存器里面的位描述也可以定義成一些宏，在讀程序的時(shí)候就知道是什么意思了。如果有興趣，可以把 stm32f0xx.h 文件和STM32F0的手冊(cè)對(duì)照著閱讀。

好，假設(shè)已經(jīng)熟悉寄存器操作了，知道怎么配置寄存器實(shí)現(xiàn)想要的功能，那么就可以寫(xiě)C程序讓STM32工作了?，F(xiàn)在需要一個(gè)工具來(lái)將C程序翻譯成機(jī)器代碼——編譯器，或者是叫做工具鏈(Tool chain)。Keil MDK-ARM 或者 IAR-EWARM 開(kāi)發(fā)環(huán)境都帶有各自的編譯器，不過(guò)我更偏向于用開(kāi)源的GCC-ARM. 在launchpad.net上可以下載到編譯好的arm-gcc工具鏈zip包，將它解壓縮，加到PATH里面就可以直接用了，很方便(很精簡(jiǎn)吧)。

OK，現(xiàn)在來(lái)編譯上面那個(gè)mini.c文件，命令行：
arm-none-eabi-gcc -c -Os -mcpu=cortex-m0 -mthumb mini.c
gcc的參數(shù) -c 是表示僅編譯，-Os 是優(yōu)化代碼大小，-mcpu=cortex-m0 -mthumb 是指定指令集的，因?yàn)锳RM有不同的版本。對(duì)了，include的頭文件還沒(méi)弄到呢。要編譯通過(guò)需要把 stm32f0xx.h 這個(gè)文件找來(lái)。我的建議是下載ST提供的 "STM32F0x2 USB FS Device Library" 程序庫(kù)(URL http://www./st-web-ui/static/active/en/st_prod_software_internet/resource/technical/software/firmware/stsw-stm32092.zip)，把里面需要的頭文件等等扒出來(lái)。在 stm32f0xx.h 中還包含了另外幾個(gè)頭文件，一并弄出來(lái)放到工程目錄下。

如果編譯成功，將得到 mini.o 目標(biāo)文件?？梢杂?/span> arm-none-eabi-objdump -S mini.o 反匯編看看翻譯成什么代碼了。

E:\arm\test072\mini>arm-none-eabi-objdump -S mini.o
mini.o: file format elf32-littlearm
Disassembly of section .text.startup:
00000000 <main>:
0: 4b16 ldr r3, [pc, #88] ; (5c <main+0x5c>)
2: 2280 movs r2, #128 ; 0x80
4: 6959 ldr r1, [r3, #20]
6: 0292 lsls r2, r2, #10
8: 430a orrs r2, r1
a: b510 push {r4, lr}
c: 2180 movs r1, #128 ; 0x80
e: 615a str r2, [r3, #20]
24: 851a strh r2, [r3, #40] ; 0x28
26: 2290 movs r2, #144 ; 0x90
28: 32ff adds r2, #255 ; 0xff
2a: 62da str r2, [r3, #44] ; 0x2c
完整代碼請(qǐng)點(diǎn)擊閱讀原文
50: 6184 str r4, [r0, #24]
52: 1c0a adds r2, r1, #0
54: e7ee b.n 34 <main+0x34>
56: 8504 strh r4, [r0, #40] ; 0x28
58: 2200 movs r2, #0
5a: e7eb b.n 34 <main+0x34>
5c: 40021000 .word 0x40021000
60: 40001000 .word 0x40001000
64: 0000270f .word 0x0000270f
68: 00000000 .word 0x00000000

如上，其實(shí)里面就一個(gè)main函數(shù)。但是 main 的入口地址還沒(méi)有確定，而且它還使用了一個(gè)static型的內(nèi)存變量，地址也還沒(méi)有確定。可以用 arm-none-eabi-nm mini.o 來(lái)查看模塊里面的全局符號(hào)表:

E:\arm\test072\mini>arm-none-eabi-nm mini.o
00000000 b a.4686
00000000 T main

那么，怎么讓程序放到ROM中合適的地址，并運(yùn)行呢？如果熟悉C語(yǔ)言編程就知道還有一步——鏈接，才能確定符號(hào)的地址。但是，到目前為止我們還沒(méi)有告訴GCC地址的布局，也就是RAM從哪里開(kāi)始，代碼放在哪里。因?yàn)锳RM的器件很多，這并不是統(tǒng)一的，所以需要提供一些信息給鏈接程序。具體地，需要一個(gè)Linker Script, 可以從軟件包中找到 STM32F072C8_FLASH.ld (或者用近似的來(lái)修改得到)

/*
*****************************************************************************
** File : stm32_flash.ld
*****************************************************************************
*/
/* Entry Point */
ENTRY(Reset_Handler)
/* Highest address of the user mode stack */
_estack = 0x20003FFF; /* end of RAM */
完整代碼請(qǐng)點(diǎn)擊閱讀原文
/DISCARD/ :
{
libc.a ( * )
libm.a ( * )
libgcc.a ( * )
}
.ARM.attributes 0 : { *(.ARM.attributes) }
}

OK，下面就是鏈接了，使用命令 arm-none-eabi-ld mini.o -Le:\arm-2014q3\arm-none-eabi\lib\armv6-m -Le:\arm-2014q3\lib\gcc\arm-none-eabi\4.8.4\armv6-m -T STM32F072C8_FLASH.ld -o mini.elf
這里面 -L 參數(shù)是添加標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)文件的搜索路徑，雖然暫時(shí)并沒(méi)有用到C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)里面的東西，但是Linker Script里面引用了標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)文件。-o 指定輸出的目標(biāo)文件。這么就快要得到最終的機(jī)器碼了，不過(guò)好象還缺少了什么……
arm-none-eabi-ld: warning: cannot find entry symbol Reset_Handler; defaulting to 08000000

linker給了一個(gè)警告：找不到入口地址 Reset_Handler 的值，設(shè)成了默認(rèn) 0x08000000. 下面再用objdump -S反匯編看一下

E:\arm\test072\mini>arm-none-eabi-objdump -S mini.elf
mini.elf: file format elf32-littlearm
Disassembly of section .text:
08000000 <main>:
8000000: 4b16 ldr r3, [pc, #88] ; (800005c <main+0x5c>)
8000002: 2280 movs r2, #128 ; 0x80
8000004: 6959 ldr r1, [r3, #20]
8000006: 0292 lsls r2, r2, #10
8000008: 430a orrs r2, r1
800000a: b510 push {r4, lr}
完整代碼請(qǐng)點(diǎn)擊閱讀原文
8000050: 6184 str r4, [r0, #24]
8000052: 1c0a adds r2, r1, #0
8000054: e7ee b.n 8000034 <main+0x34>
8000056: 8504 strh r4, [r0, #40] ; 0x28
8000058: 2200 movs r2, #0
800005a: e7eb b.n 8000034 <main+0x34>
800005c: 40021000 .word 0x40021000
8000060: 40001000 .word 0x40001000
8000064: 0000270f .word 0x0000270f
8000068: 20000000 .word 0x20000000

現(xiàn)在 main() 被放到ROM最開(kāi)始去了，這好象是對(duì)的？如果了解ARM Cortex-M0下就知道這樣錯(cuò)了，因?yàn)?/span>最開(kāi)始應(yīng)該是中斷向量表。我們還沒(méi)有編寫(xiě)Linker Script中的 .isr_vectors 段的內(nèi)容。而且，一上來(lái)初始化堆棧指針等工作都沒(méi)有做就直接運(yùn)行 main() 了也不合適吧？還缺少了初始化代碼。

在軟件包中搜刮一個(gè) startup_stm32f072.s 匯編文件

/**
******************************************************************************
* @file startup_stm32f072.s
* @author MCD Application Team
******************************************************************************
*/
.syntax unified
.cpu cortex-m0
.fpu softvfp
.thumb
.global g_pfnVectors
.global Default_Handler
完整代碼請(qǐng)點(diǎn)擊閱讀原文
.weak USART2_IRQHandler
.thumb_set USART2_IRQHandler,Default_Handler
.weak USART3_4_IRQHandler
.thumb_set USART3_4_IRQHandler,Default_Handler
.weak CEC_CAN_IRQHandler
.thumb_set CEC_CAN_IRQHandler,Default_Handler
.weak USB_IRQHandler
.thumb_set USB_IRQHandler,Default_Handler
/************************ (C) COPYRIGHT STMicroelectronics *****END OF FILE****/

原來(lái)是這樣，中斷向量表在這里進(jìn)行了描述，還有設(shè)置堆棧，初始化全局變量的代碼，然后跳轉(zhuǎn)到 main 執(zhí)行。好了，這樣就該差不多了。這個(gè)匯編程序是GNU AS的語(yǔ)法，可以用 arm-none-eabi-gcc 來(lái)直接匯編
arm-none-eabi-gcc -c startup_stm32f072.s
鏈接兩個(gè)目標(biāo)模塊
arm-none-eabi-ld mini.o startup_stm32f072.o -Le:\arm-2014q3\arm-none-eabi\lib\armv6-m -Le:\arm-2014q3\lib\gcc\arm-none-eabi\4.8.4\armv6-m -T STM32F072C8_FLASH.ld -o mini.elf
最后轉(zhuǎn)換出一個(gè) HEX 文件
arm-none-eabi-objcopy -Oihex mini.elf mini.hex
可以進(jìn)行燒寫(xiě)了。

我這個(gè)是最簡(jiǎn)化的例子，使用最簡(jiǎn)化的軟件工具，不過(guò)已經(jīng)包含了基本的C語(yǔ)言框架。

第一個(gè)USB工程例子：USB存儲(chǔ)盤(pán)。因?yàn)槭诌厸](méi)有SPI或I2C接口的Flash, 就權(quán)且用單片機(jī)的RAM虛擬一下吧。這個(gè)"U盤(pán)"容量標(biāo)成160kB, 實(shí)際上有效的存儲(chǔ)只有10kB，用一點(diǎn)扇區(qū)映射的技巧騙過(guò)操作系統(tǒng)，當(dāng)然存放文件只能幾kB了。

ST官方提供了一個(gè) STM32F0 的USB固件庫(kù)，(URL http://www./st-web-ui/static/active/en/st_prod_software_internet/resource/technical/software/firmware/stsw-stm32092.zip)，包括了硬件庫(kù)、核心庫(kù)和類庫(kù)的C頭文件和源文件。我cruelfox琢磨了一整天，還是沒(méi)搞清楚怎么調(diào)用這些函數(shù)，只好照著個(gè)Example改吧。

于是就用MassStorage類的例子來(lái)下手了，這個(gè)目錄里面的主文件 app.c 非常簡(jiǎn)單

/**
* @file app.c
*/
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "usbd_msc_core.h"
#include "usbd_usr.h"
USB_CORE_HANDLE USB_Device_dev ;
int main(void)
{
USBD_Init(&USB_Device_dev,
&USR_desc,
&USBD_MSC_cb,
&USR_cb);
while (1)
{
}
}
#ifdef USE_FULL_ASSERT
void assert_failed(uint8_t* file, uint32_t line)
{
while (1)
{}
}
#endif

一切USB相關(guān)的東西都在 USBD_init() 這個(gè)函數(shù)里面了。追查源代碼，可以發(fā)現(xiàn)這個(gè)函數(shù)調(diào)用其實(shí)是向庫(kù)函數(shù)提供了一堆回調(diào)函數(shù)的接口，也就是說(shuō)寫(xiě)一些子程序，讓驅(qū)動(dòng)程序在需要的時(shí)候調(diào)用。這樣開(kāi)發(fā)USB的我們就不用去管中斷什么的了，要做的就是實(shí)現(xiàn)各種USB的請(qǐng)求——其實(shí)程序庫(kù)里面已經(jīng)把大部分的請(qǐng)求應(yīng)答都實(shí)現(xiàn)了，而具體的類庫(kù)(比如我這里用的MassStorage類)又處理了剩余的大部分，所以只剩下功能性的需要自己寫(xiě)。

在 usbd_desc.c 這個(gè)程序里面可以看到描述符是怎么創(chuàng)建和返回的