基于STM32点亮LED灯

CHANBAEK 2023-07-27 1216

CHANBAEK

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描述

我们在控制模块中所使用的处理器是Cortex-M4系列中的STM32F407VE，这个处理器芯片有100个引脚，其中包含一些电源供电引脚、外部晶振引脚、SWD程序烧录引脚和我们最常用的GPIO功能引脚：

STM32

实际上，我们使用的GPIO并不多，我们只使用了3路AD采集、Uart1和Uart2、I2C1、Tim3和Tim4的PWM输出引脚以及几个普通GPIO脚（具体使用情况请参照《控制模块》）。STM32有丰富的硬件资源供我们使用，例如：AD采集、串口、I2C、SPI、SDIO、CAN、USB_OTG_FS、USB_OTG_HS、I2S、PWM输出、PWM采集、GPIO输入输出等。在这一节里我们将完成STM32的第一个小程序：点亮LED灯。

一、开发环境搭建：

我们的整个项目都会在Linux系统下完成，因此后续所有章节中如无特殊说明，我们都默认在Linux下搭建所有的开发环境。

首先，我们需要下载并安装在Arm平台下的gcc编译工具arm-none-eabi-gcc。作者所使用的Linux发行版为Arch-Linux，可以直接使用下面命令进行安装：

#Arch-Linux
pacman -S arm-none-eabi-gcc


#Fedora
yum install arm-none-eabi-gcc


#ubuntu
apt-get install arm-none-eabi-gcc

一般来说，其它Linux的发行版都有着自己的安装软件包的方式，我们不再一一列举。此外，我们还可以直接在GNU的网站上直接下载压缩包。

我们下载Linux x86_64 Tarball压缩包，解压到指定目录，并将其目录加入到PATH环境变量中，最后执行以下命令的查看是否安装成功：

$ arm-none-eabi-gcc --version
arm-none-eabi-gcc (GNU Tools for ARM Embedded Processors) 5.4.1 20160919 (release) [ARM/embedded-5-branch revision 240496]
Copyright (C) 2015 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions.  There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

其次，我们还需要使用STM32F4xx的标准开发库，我们可以到STM32官方的网站上下载。

STM32

我们需要下载F4系列的标准开发库，下载并解压之后，得到以下目录：

├── CMSIS
│   ├── Device
│   └── Include
└── STM32F4xx_StdPeriph_Driver
    ├── inc
    └── src

这样我们的开发环境就准备好了，接下来就可以在这个开发环境下进行开发了。

二、点亮LED灯：

使用arm gcc来编译STM32所运行的程序，我们需要编写一个Makefile如下：

# Output files
ELF_FILE  =  led.elf
BIN_FILE  =  led.bin
HEX_FILE  =  led.hex
INFO_FILE  =  led.info
CODE_FILE  =  led.code


#------------------------------------------------------------------------#
# Cross Compiler
CC      =  arm-none-eabi-gcc
OBJCOPY    =  arm-none-eabi-objcopy
OBJDUMP    =  arm-none-eabi-objdump
READELF    =  arm-none-eabi-readelf


#------------------------------------------------------------------------#
# Flags
CFLAGS    +=  -std=gnu11
CFLAGS    +=  -mthumb
CFLAGS    +=  -Wno-incompatible-pointer-types
CFLAGS    +=  -Wno-unused-but-set-variable
CFLAGS    +=  -Wno-unused-variable
CFLAGS    +=  -mcpu=cortex-m4
CFLAGS    +=  -mfpu=fpv4-sp-d16 -mfloat-abi=hard
CFLAGS    +=  -D"assert_param(expr)=((void)0)"
CFLAGS    +=  -D STM32F40XX -DUSE_STDPERIPH_DRIVER
CFLAGS    +=  -nostartfiles


#------------------------------------------------------------------------#
# Link script
CFLAGS    +=  -Wl,-Tled.ld


#------------------------------------------------------------------------#
# Libraries
STM32_LIBS  =  libs/STM32F4xx_StdPeriph_Driver
CFLAGS    +=  -I$(STM32_LIBS)/inc
CFLAGS    +=  -Ilibs/CMSIS/Include
CFLAGS    +=  -Ilibs/CMSIS/Device/ST/STM32F4xx/Include


#------------------------------------------------------------------------#
# Src Path
SRCS    =  ./src
CFLAGS    +=  -I$(SRCS)
CFLAGS    +=  -I./inc


#------------------------------------------------------------------------#
# Main Board
SRC      +=  $(SRCS)/main.c


#------------------------------------------------------------------------#
# System
SRC      +=  ./src/system_stm32f4xx.c


STARTUP    =  ./src/startup_stm32f40xx.s


#------------------------------------------------------------------------#
# StdPeriph
SRC      +=  $(STM32_LIBS)/src/misc.c 
        $(STM32_LIBS)/src/stm32f4xx_rcc.c 
        $(STM32_LIBS)/src/stm32f4xx_gpio.c


STARTUP_OBJ  =  startup_stm32f40xx.o


all:$(BIN_FILE) $(HEX_FILE) $(INFO_FILE) $(CODE_FILE)


$(BIN_FILE):$(ELF_FILE)
  $(OBJCOPY) -O binary $^ $@


$(HEX_FILE):$(ELF_FILE)
  $(OBJCOPY) -O ihex $^ $@


$(INFO_FILE):$(ELF_FILE)
  $(READELF) -a $^ > $@


$(CODE_FILE):$(ELF_FILE)
  $(OBJDUMP) -S $^ > $@


$(STARTUP_OBJ):$(STARTUP)
  $(CC) $(CFLAGS) $^ -c $(STARTUP)


$(ELF_FILE):$(SRC) $(STARTUP_OBJ)
  $(CC) $(CFLAGS)  $^ -o $@

之后，我们还需要编写一个led.ld的链接脚本，内容如下：

/* Entry Point */
ENTRY(Reset_Handler)


/* Highest address of the user mode stack */
_estack = 0x20020000;    /* end of 128K RAM on AHB bus*/


/* Generate a link error if heap and stack don't fit into RAM */
_Min_Heap_Size = 0;      /* required amount of heap  */
_Min_Stack_Size = 0x400; /* required amount of stack */


/* Specify the memory areas */
MEMORY
{
  FLASH (rx)      : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 512K
  RAM (xrw)       : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 128K
  CCMRAM (rw)     : ORIGIN = 0x10000000, LENGTH = 64K
}


/* Define output sections */
SECTIONS
{
  .myBufBlock 0x10000000 :
    {
        KEEP(*(.myBufSection)) /* keep my variable even if not referenced */
    } > CCMRAM


  /* The startup code goes first into FLASH */
  .isr_vector :
  {
    . = ALIGN(4);
    KEEP(*(.isr_vector)) /* Startup code */
    . = ALIGN(4);
  } >FLASH


  /* The program code and other data goes into FLASH */
  .text :
  {
    . = ALIGN(4);
    *(.text)           /* .text sections (code) */
    *(.text*)          /* .text* sections (code) */
    *(.rodata)         /* .rodata sections (constants, strings, etc.) */
    *(.rodata*)        /* .rodata* sections (constants, strings, etc.) */
    *(.glue_7)         /* glue arm to thumb code */
    *(.glue_7t)        /* glue thumb to arm code */
  *(.eh_frame)


    KEEP (*(.init))
    KEEP (*(.fini))


    . = ALIGN(4);
    _etext = .;        /* define a global symbols at end of code */
    _exit = .;
  } >FLASH




   .ARM.extab   : { *(.ARM.extab* .gnu.linkonce.armextab.*) } >FLASH
    .ARM : {
    __exidx_start = .;
      *(.ARM.exidx*)
      __exidx_end = .;
    } >FLASH


  .preinit_array     :
  {
    PROVIDE_HIDDEN (__preinit_array_start = .);
    KEEP (*(.preinit_array*))
    PROVIDE_HIDDEN (__preinit_array_end = .);
  } >FLASH
  .init_array :
  {
    PROVIDE_HIDDEN (__init_array_start = .);
    KEEP (*(SORT(.init_array.*)))
    KEEP (*(.init_array*))
    PROVIDE_HIDDEN (__init_array_end = .);
  } >FLASH
  .fini_array :
  {
    PROVIDE_HIDDEN (__fini_array_start = .);
    KEEP (*(.fini_array*))
    KEEP (*(SORT(.fini_array.*)))
    PROVIDE_HIDDEN (__fini_array_end = .);
  } >FLASH


  /* used by the startup to initialize data */
  _sidata = .;


  /* Initialized data sections goes into RAM, load LMA copy after code */
  .data : AT ( _sidata )
  {
    . = ALIGN(4);
    _sdata = .;        /* create a global symbol at data start */
    *(.data)           /* .data sections */
    *(.data*)          /* .data* sections */


    . = ALIGN(4);
    _edata = .;        /* define a global symbol at data end */
  } >RAM


  /* Uninitialized data section */
  . = ALIGN(4);
  .bss :
  {
    /* This is used by the startup in order to initialize the .bss secion */
    _sbss = .;         /* define a global symbol at bss start */
    __bss_start__ = _sbss;
    *(.bss)
    *(.bss*)
    *(COMMON)


    . = ALIGN(4);
    _ebss = .;         /* define a global symbol at bss end */
    __bss_end__ = _ebss;
  } >RAM


  /* User_heap_stack section, used to check that there is enough RAM left */
  ._user_heap_stack :
  {
    . = ALIGN(4);
    PROVIDE ( end = . );
    PROVIDE ( _end = . );
    . = . + _Min_Heap_Size;
    . = . + _Min_Stack_Size;
    . = ALIGN(4);
  } >RAM


  /* Remove information from the standard libraries */
  /DISCARD/ :
  {
    libc.a ( * )
    libm.a ( * )
    libgcc.a ( * )
  }


  .ARM.attributes 0 : { *(.ARM.attributes) }
}

最后，我们编写程序源代码文件main.c，实现LED亮灯功能：

#include < stm32f4xx.h >
#include < stm32f4xx_conf.h > 


int main(int argc, char* argv[])
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure = { 0 };
  RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOE, ENABLE);
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure);


  GPIO_WriteBit(GPIOE, GPIO_Pin_0, 0);
  GPIO_WriteBit(GPIOE, GPIO_Pin_1, 0);


  while (1)
  {
  }
}

需要说明的是，我们先来看一下LED电路的原理图：

STM32

可以看到两个LED分别使用的是PE0和PE1引脚，当引脚为低电平时LED灯亮起，当引脚为高电平时LED熄灭，因此，当我们希望LED亮起只需要通过GPIO_WriteBit()函数将PE0和PE1拉低即可。

STM32

点亮了两个LED之后，我们还可以将源代码修改一下，让LED变为闪烁状态：

#include < stm32f4xx.h >
#include < stm32f4xx_conf.h > 


int main(int argc, char* argv[])
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure = { 0 };
  RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOE, ENABLE);
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure);


  while (1)
  {
    GPIO_WriteBit(GPIOE, GPIO_Pin_0, 1);
    GPIO_WriteBit(GPIOE, GPIO_Pin_1, 0);
    for (int i = 0; i < 1000000; i++)
    {
    }
    GPIO_WriteBit(GPIOE, GPIO_Pin_0, 0);
    GPIO_WriteBit(GPIOE, GPIO_Pin_1, 1);
    for (int i = 0; i < 1000000; i++)
    {
    }
  }
}

我们在while循环中加入两个for循环让处理器执行100000次实现程序“等待一小会儿”的功能，但实际上这段时间处理器还是在运行的。

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