STM32裸机编程的基础知识(1)

这个系列将介绍 STM32 裸机编程的基础知识，以便更好地理解 STM32Cube、Keil 等框架和 IDE 是如何工作的。本指南完全从头开始，只需要编译器和芯片数据手册，而不依赖任何其它软件工具和框架。

这个系列涵盖了以下话题：

• 存储和寄存器
• 中断向量表
• 启动代码
• 链接脚本
• 使用 make 进行自动化构建
• GPIO 外设和闪烁 LED
• SysTick 定时器
• UART 外设和调试输出
• printf 重定向到 UART
• 用 Segger Ozone 进行调试
• 系统时钟配置
• 实现一个带设备仪表盘的 web 服务器

我们将使用 Nucleo-F429ZI 开发板 (淘宝购买) 贯穿整个指南的实践，每个章节都有一个相关的完整小项目可以实战。最后一个 web 服务器项目非常完整，可以作为你自己项目的框架，因此这个示例项目也提供了其他开发板的适配：

• STM32 Nucleo-F429ZI
• TI EK-TM4C1294XL
• 树莓派 Pico-W

对其他板子的适配支持还在进行中，可以提交 issue 来建议适配你正在用的板子。

工具配置

为继续进行，需要以下工具：

• ARM GCC, https://launchpad.net/gcc-arm-embedded - for compiling and linking
• GNU make, http://www.gnu.org/software/make/ - for build automation
• ST link, https://github.com/stlink-org/stlink - for flashing

Mac 安装

打开终端，执行：

$ /bin/bash -c "$(curl -fsSL https://raw.githubusercontent.com/Homebrew/install/HEAD/install.sh)"
$ brew install gcc-arm-embedded make stlink

Linux (Ubuntu) 安装

打开终端，执行：

$ sudo apt -y install gcc-arm-none-eabi make stlink-tools

Windows 安装

scoop install gcc-arm-none-eabi make stlink

验证安装：

1. 下载这个仓库，解压到 C:\\
2. 打开命令行，执行：

cd C:\\bare-metal-programming-guide-main\\step-0-minimal
make

数据手册

• STM32F429 MCU datasheet
• Nucleo-F429ZI board datasheet

微控制器介绍

微控制器（microcontroller，uC 或 MCU）是一个小计算机，典型地包含 CPU、RAM、存储固件代码的 Flash，以及一些引脚。其中一些引脚为 MCU 供电，通常被标记为 VCC 和 GND。其他引脚通过高低电压来与 MCU 通信，最简单的通信方法之一就是把一个 LED 接在引脚上：LED 一端接地，另一端串接一个限流电阻，然后接到 MCU 信号引脚。在固件代码中设置引脚电压的高低就可以使 LED 闪烁：

存储和寄存器

MCU 的 32 位地址空间按区分割。例如，一些存储区被映射到特定的地址，这里是 MCU 的片内 flash，固件代码指令在这些存储区读和执行。另一些区是 RAM，也被映射到特定的地址，我们可以读或写任意值到 RAM 区。

从 STM32F429 数据手册的 2.3.1 节，我们可以了解到 RAM 区从地址 0x20000000 开始，共有 192KB。从 2.4 节我们可以了解到 flash 被映射到 0x08000000，共 2MB，所以 flash 和 RAM 的位置像这样：

从数据手册中我们也可以看到还有很多其它存储区，它们的地址在 2.3 节”Memory Map” 给出，例如：”GPIOA” 区从地址 0x40020000 开始，长度为 1KB。

这些存储区被关联到 MCU 芯片内部不同的外设电路上，以特殊的方式控制外设引脚的行为。一个外设存储区是一些 32 位寄存器的集合，每个寄存器有 4 字节的空间，在特定的地址，控制着外设的特定功能。通过向寄存器写入值，或者说向特定的地址写一个 32 位的值，我们就可以控制外设的行为。通过读寄存器的值，我们就可以得到外设的数据或配置。

MCU 通常有许多不同的外设，其中比较简单的就是 GPIO（General Purpose Input Output，通用输入输出），它允许用户将 MCU 引脚设为输出模式，然后置 “高” 或置 “低”；或者设置为输入模式，然后读引脚电压的 “高” 或 “低”。还有 UART 外设，可以使用串行协议通过两个引脚收发数据。还有许多其它外设。

在 MCU 中，一个相同外设通常会有多个 “实例”，比如 GPIOA、GPIOB 等等，它们控制着 MCU 引脚的不同集合。类似地，也有 UART1、UART2 等等，可以实现多通道。在 Nucleo-F429 上，有多个 GPIO 和 UART 外设。

例如，GPIOA 外设起始地址为 0x40020000，我们可以从数据手册 8.4 节找到 GPIO 寄存器的描述，上面说 GPIOA_MODER 寄存器偏移为 0，意味着它的地址是 0x40020000 + 0，寄存器地址格式如下：

数据手册显示 MODER 这个 32 位寄存器是由 16 个 2 位的值组成。因此，一个 MODER 寄存器控制 16 个物理引脚，0-1 位控制引脚 0，2-3 位控制引脚 1，以此类推。这个 2 位的值编码了引脚模式：’00’代表输入，’01’代表输出，’10’代表替代功能 —— 在其它部分进行描述，’11’代表模拟引脚。因为这个外设命名为’GPIOA’，所以对应引脚名为’A0’、’A1’，等等。对于外设’GPIOB’，引脚则对应叫’B0’、’B1’，等等。

如果我们向 MODER 寄存器写入 32 位的值’0’，就会把从 A0 到 A15 这 16 个引脚设为输入模式：

* (volatile uint32_t *) (0x40020000 + 0) = 0;  // Set A0-A15 to input mode

通过设置独立的位，我们就可以把特定的引脚设为想要的模式。例如，下面的代码将 A3 设为输出模式：

* (volatile uint32_t *) (0x40020000 + 0) &= ~(3 < < 6);  // CLear bit range 6-7
* (volatile uint32_t *) (0x40020000 + 0) |= 1 < < 6;     // Set bit range 6-7 to 1

我来解释下上面的位操作。我们的目标是把控制 GPIOA 外设引脚 3 的位，也就是 6-7，设为特定值，在这里是 1。这个需要 2 步，首先，我们必须将 6-7 位的当前值清除，也就是清’0’，因为这两位可能已经有值；然后，我们再将 6-7 设为期望值。

所以，第一步，我们先把 6-7 位清’0’，怎么做呢？4 步：

• 使一个数有连续的 N 位’1’
  • 1 位用 1： 0b1
  • 2 位用 3: 0b11
  • 3 位用 7： 0b111
  • 4 位用 15： 0b1111
  • 以此类推，对于 N 位，数值应为 2^N - 1。对于 2 位，数值为 3，或者写为二进制 0b00000000000000000000000000000011
• 将数字左移位。如果我们需要设置位 X-Y，则将数字左移 X 位。在我们的例子中，左移 6 位：(3 << 6)，得到 0b00000000000000000000000011000000
• 取反：0 变 1，1 变 0：~(3 << 6), 得到 0xb11111111111111111111111100111111
• 现在，将寄存器值与我们的数字进行逻辑” 与” 操作，6-7 位与’0’后会变 0，其它位与’1’后不变，这就是我们想要的：REG &= ~(3 << 6)。注意，保持其它位的值不变是重要的，我们并不想改变其它位的配置。

一般地，如果我们想将 X-Y 位清除，或者说设为 0，这样做：

PERIPHERAL- >REGISTER &= ~(NUMBER_WITH_N_BITS < < X);

最后，我们把那些位设为我们想要的值，则需要把想要的值左移 X 位，然后与寄存器当前值进行逻辑” 或” 运算：

PERIPHERAL- >REGISTER |= VALUE < < X;

现在，你应该明白了，下面的两行代码将把 GPIOA MODER 寄存器的 6-7 位设为 1，即输出模式：

* (volatile uint32_t *) (0x40020000 + 0) &= ~(3 < < 6);  // CLear bit range 6-7
* (volatile uint32_t *) (0x40020000 + 0) |= 1 < < 6;     // Set bit range 6-7 to 1

还有一些寄存器没有被映射到 MCU 外设，而是被映射到了 ARM CPU 的配置和控制。例如，有一个”Reset and clock control” 单元（RCC），在数据手册第 6 节有描述，这些寄存器用来配置系统时钟和一些其它的事情。