Освоение STM32. Пошаговое руководство по самой полной платформе ARM Cortex-M, использующей бесплатную и мощную среду разработки на основе Eclipse и GCC

826 Pages·2018·45.48 MB·russian

by  Кармин Новиелло

Mastering STM32
A step-by-step guide to the most complete ARM Cortex-M
platform, using a free and powerful development
environment based on Eclipse and GCC
Carmine Noviello
This book is for sale at http://leanpub.com/mastering-stm32
This version was published on 2018-08-17

This is a Leanpub. book. Leanpub empowers authors and publishers with the Lean Publishing
process. Lean Publishing is the act of publishing an in-progress ebook using lightweight tools
and many iterations to get reader feedback, pivot until you have the right book and build traction
once you do.
© 2015 – 2018 Carmine Noviello
Освоение STM32
Пошаговое руководство по самой полной платформе
ARM Cortex-M, использующей бесплатную и мощную
среду разработки на основе Eclipse и GCC
Кармин Новиелло
Данная книга продается на http://leanpub.com/mastering-stm32
Данная версия была опубликована 17.08.2018
Книга переведена на русский язык Дмитрием Карасёвым. Перевод от 03.03.2021

Это книга Leanpub. Leanpub расширяет возможности авторов и издателей в процессе
Lean Publishing. Lean Publishing – это процесс публикации находящейся в разработке
электронной книги с использованием простых инструментов и множества итераций по
получению обратной связи от читателя, осуществляющийся до тех пор, пока не появится
готовая книга, и набор оборотов после ее написания.
© 2015 – 2018 Carmine Noviello
Напишите твит об этой книге!
Пожалуйста, помогите Кармину Новиелло, распространяя информацию об этой книге в
Twitter!
Предлагаемый хештег для данной книги #MasteringSTM32.
Чтобы узнать, что другие люди говорят о книге, нажмите на эту ссылку, чтобы найти
представленный хештег в Twitter:
#MasteringSTM32
Оглавление

Предисловие ...................................................................................................................................... i
Почему я написал книгу? ................................................................................................ i
Для кого эта книга? ........................................................................................................... ii
Как использовать эту книгу?........................................................................................ iv
Как организована книга? ............................................................................................... iv
Об авторе ............................................................................................................................................ viii
Ошибки и предложения ................................................................................................................ ix
Поддержка книги .............................................................................................................................. ix
Как помочь автору ............................................................................................................................ ix
Отказ от авторского права .............................................................................................................. x
Благодарность за участие ............................................................................................................... x
Перевод .................................................................................................................................................. x
Благодарности ................................................................................................................................ xi
I Введение
................................................................................................... 1
1. Введение в ассортимент микроконтроллеров STM32 ............................................... 2
1.1. Введение в процессоры на базе ARM .......................................................................... 2
1.1.1. Cortex и процессоры на базе Cortex-M ....................................................... 4
1.1.1.1. Регистры ядра .................................................................................... 5
1.1.1.2. Карта памяти ..................................................................................... 6
1.1.1.3. Технология битовых лент (bit-banding) ................................... 8
1.1.1.4. Thumb-2 и выравнивание памяти .......................................... 11
1.1.1.5. Конвейер .......................................................................................... 13
1.1.1.6. Обработка прерываний и исключений ................................ 15
1.1.1.7. Системный таймер SysTick ........................................................ 17
1.1.1.8. Режимы питания .......................................................................... 17
1.1.1.9. CMSIS ................................................................................................. 19
1.1.1.10. Внедренные функции Cortex-M в ассортименте STM32 20
1.2. Введение в микроконтроллеры STM32 .................................................................... 21
1.2.1. Преимущества ассортимента STM32…. ................................................... 21
1.2.2. ….И его недостатки .......................................................................................... 22
1.3. Краткий обзор подсемейств STM32 .......................................................................... 24
1.3.1. Серия F0 ............................................................................................................... 27
1.3.2. Серия F1 ............................................................................................................... 28
1.3.3. Серия F2 ............................................................................................................... 29
1.3.4. Серия F3 ............................................................................................................... 30
1.3.5. Серия F4 ............................................................................................................... 32
1.3.6. Серия F7 ............................................................................................................... 33
1.3.7. Серия H7.............................................................................................................. 34
ОГЛАВЛЕНИЕ
1.3.8. Серия L0 .............................................................................................................. 35
1.3.9. Серия L1 .............................................................................................................. 36
1.3.10. Серия L4 .............................................................................................................. 37
1.3.11. Серия L4+ ............................................................................................................ 38
1.3.12. Серия STM32WB ............................................................................................... 40
1.3.13. Как правильно выбрать для себя микроконтроллер? ........................ 42
1.4. Отладочная плата Nucleo .............................................................................................. 45
2. Установка инструментария ............................................................................................. 50
2.1. Почему выбирают Eclipse/GCC в качестве инструментария для STM32 ..... 51
2.1.1. Два слова о Eclipse… ........................................................................................ 52
2.1.2. … и о GCC ........................................................................................................... 53
2.2. Windows – Установка инструментария ................................................................... 54
2.2.1. Windows – Установка Eclipse ....................................................................... 54
2.2.2. Windows – Установка плагинов Eclipse ................................................... 56
2.2.3. Windows – Установка GCC ARM Embedded ............................................ 59
2.2.4. Windows – Установка инструментов сборки ......................................... 61
2.2.5. Windows – Установка OpenOCD ................................................................. 61
2.2.6. Windows – Установка инструментов ST и драйверов ........................ 62
2.2.6.1. Windows – Обновление микропрограммного
обеспечения ST-LINK ................................................................... 62
2.3. Linux – Установка инструментария .......................................................................... 63
2.3.1. Linux – Установка библиотек среды выполнения i386 на 64-
разрядную ОС Ubuntu .................................................................................... 63
2.3.2. Linux – Установка Java .................................................................................... 64
2.3.3. Linux – Установка Eclipse .............................................................................. 64
2.3.4. Linux – Установка плагинов Eclipse .......................................................... 65
2.3.5. Linux – Установка GCC ARM Embedded ................................................... 70
2.3.6. Linux – Установка драйверов Nucleo ......................................................... 70
2.3.6.1. Linux – Обновление микропрограммного обеспечения
ST-LINK ............................................................................................. 70
2.3.7. Linux – Установка OpenOCD ........................................................................ 71
2.3.8. Linux – Установка инструментов ST ......................................................... 73
2.4. Mac – Установка инструментария ............................................................................. 75
2.4.1. Mac – Установка Eclipse ................................................................................. 75
2.4.2. Mac – Установка плагинов Eclipse ............................................................. 77
2.4.3. Mac – Установка GCC ARM Embedded ...................................................... 81
2.4.4. Mac – Установка драйверов Nucleo ........................................................... 81
2.4.4.1. Mac – Обновление микропрограммного обеспечения ST-
LINK .................................................................................................... 81
2.4.5. Mac – Установка OpenOCD ........................................................................... 82
2.4.6. Mac – Установка инструментов ST ............................................................ 84
3. Hello, Nucleo! ........................................................................................................................ 86
3.1. Прикоснитесь к Eclipse IDE .......................................................................................... 87
3.2. Создание проекта ............................................................................................................ 90
3.3. Подключение Nucleo к ПК ............................................................................................ 96
3.4. Перепрограммирование Nucleo с использованием STM32CubeProgrammer
................................................................................................................................................ 97
3.5. Изучение сгенерированного кода ............................................................................. 98
ОГЛАВЛЕНИЕ
4. Инструмент STM32CubeMX .......................................................................................... 100
4.1. Введение в инструмент CubeMX ............................................................................. 100
4.1.1. Представление Pinout ................................................................................... 103
4.1.1.1. Представление Chip ................................................................... 104
4.1.1.2. IP tree pane ..................................................................................... 105
4.1.2. Представление Clock Configuration ......................................................... 107
4.1.3. Представление Configuration ..................................................................... 108
4.1.4. Представление Power Consumption Calculator ..................................... 108
4.2. Генерация проекта ......................................................................................................... 109
4.2.1. Генерация проекта Си при помощи CubeMX ..................................... 109
4.2.1.1. Изучение сгенерированного кода ........................................ 111
4.2.2. Создание проекта Eclipse ............................................................................ 113
4.2.3. Ручное импортирование сгенерированных файлов в проект
Eclipse ................................................................................................................. 115
4.2.4. Автоматический импорт файлов, созданных с помощью CubeMX,
в проект Eclipse ............................................................................................... 120
4.3. Изучение сгенерированного кода приложения ................................................ 121
4.3.1. Добавим что-нибудь полезное в микропрограмму ......................... 126
4.4. Загрузка исходного кода примеров книги .......................................................... 127
5. Введение в отладку ........................................................................................................... 130
5.1. Начало работы с OpenOCD ......................................................................................... 130
5.1.1. Запуск OpenOCD ............................................................................................ 132
5.1.1.1. Запуск OpenOCD на Windows ................................................ 132
5.1.1.2. Запуск OpenOCD на Linux и на MacOS X ........................... 133
5.1.2. Подключение к OpenOCD Telnet Console .............................................. 135
5.1.3. Настройка Eclipse ........................................................................................... 136
5.1.4. Отладка в Eclipse ............................................................................................ 142
5.2. Полухостинг ARM .......................................................................................................... 146
5.2.1. Включение полухостинга в новом проекте ......................................... 147
5.2.1.1. Использование полухостинга со Стандартной
библиотекой Си ........................................................................... 149
5.2.2. Включение полуохостинга в существующем проекте .................... 152
5.2.3. Недостатки полухостинга .......................................................................... 152
5.2.4. Как работает полухостинг .......................................................................... 153
II Погружение в HAL
................................................................... 157
6. Управление GPIO .............................................................................................................. 158
6.1. Отображение периферийных устройств STM32 и дескрипторы HAL ........ 158
6.2. Конфигурация GPIO ..................................................................................................... 163
6.2.1. Режимы работы GPIO ................................................................................... 165
6.2.2. Режим альтернативной функции GPIO ................................................ 167
6.2.3. Понятие скорости GPIO ............................................................................... 168
6.3. Управление GPIO ........................................................................................................... 172
6.4. Деинициализация GPIO .............................................................................................. 172
7. Обработка прерываний ................................................................................................... 174
7.1. Контроллер NVIC ........................................................................................................... 174
7.1.1. Таблица векторов в STM32 ......................................................................... 175
ОГЛАВЛЕНИЕ
7.2. Разрешение прерываний ............................................................................................ 179
7.2.1. Линии запроса внешних прерываний и контроллер NVIC .......... 180
7.2.2. Разрешение прерываний в CubeMX ....................................................... 184
7.3. Жизненный цикл прерываний ................................................................................ 185
7.4. Уровни приоритета прерываний ............................................................................ 189
7.4.1. Cortex-M0/0+ .................................................................................................... 189
7.4.2. Cortex-M3/4/7 ................................................................................................... 193
7.4.3. Установка уровня прерываний в CubeMX ............................................ 200
7.5. Реентерабельность прерываний ............................................................................... 201
7.6. Разовое маскирование всех прерываний или на приоритетной основе.. 202
8. Универсальные асинхронные последовательные средства связи .................... 205
8.1. Введение в UART и USART ......................................................................................... 205
8.2. Инициализация UART ................................................................................................. 209
8.2.1. Конфигурация UART с использованием CubeMX ............................. 216
8.3. UART-связь в режиме опроса ...................................................................................... 216
8.3.1. Установка консоли последовательного порта в Windows .............. 220
8.3.2. Установка консоли последовательного порта в Linux и MacOS X 222
8.4. UART-связь в режиме прерываний ............................................................................ 223
8.4.1. Прерывания, относящиеся к UART ......................................................... 224
8.5. Обработка ошибок ......................................................................................................... 231
8.6. Перенаправление ввода-вывода ............................................................................... 232
9. Управление DMA ............................................................................................................... 236
9.1. Введение в DMA ............................................................................................................. 237
9.1.1. Необходимость DMA и роль внутренних шин .................................. 237
9.1.2. Контроллер DMA ........................................................................................... 240
9.1.2.1. Реализация DMA в микроконтроллерах F0/F1/F3/L1 ..... 241
9.1.2.2. Реализация DMA в микроконтроллерах F2/F4/F7 ........... 244
9.1.2.3. Реализация DMA в микроконтроллерах L0/L4 ................ 247
9.2. Модуль HAL_DMA ............................................................................................................... 248
9.2.1. DMA_HandleTypeDef в HAL для F0/F1/F3/L0/L1/L4 ................................... 249
9.2.2. DMA_HandleTypeDef в HAL для F2/F4/F7 ..................................................... 251
9.2.3. DMA_HandleTypeDef в HAL для L0/L4 .......................................................... 255
9.2.4. Как выполнять передачи в режиме опроса ......................................... 255
9.2.5. Как выполнять передачи в режиме прерываний .............................. 257
9.2.6. Как выполнять передачи типа периферия-в-периферию ................... 259
9.2.7. Использование модуля HAL_UART для передачи в режиме DMA .. 260
9.2.8. Разнообразные функции модулей HAL_DMA и HAL_DMA_Ex ................ 263
9.3. Использование CubeMX для конфигурации запросов к DMA ..................... 264
9.4. Правильное выделение памяти буферам DMA .................................................. 264
9.5. Пример из практики: анализ производительности передачи типа
память-в-память модулем DMA ............................................................................. 265
10. Схема тактирования ........................................................................................................ 271
10.1. Распределение тактового сигнала ........................................................................... 271
10.1.1. Обзор схемы тактирования STM32 ......................................................... 273
10.1.1.1. Многочастотный внутренний RC-генератор в семействах
STM32L ............................................................................................ 276
10.1.2. Конфигурирование схемы тактирования с помощью CubeMX ... 278
ОГЛАВЛЕНИЕ
10.1.3. Варианты источников тактового сигнала в платах Nucleo ............ 280
10.1.3.1. Подача тактового сигнала от высокочастотного
генератора ...................................................................................... 280
10.1.3.2. Подача тактового сигнала от 32кГц генератора ............... 281
10.2. Обзор модуля HAL_RCC ................................................................................................... 282
10.2.1. Вычисление тактовой частоты во время выполнения .................... 284
10.2.2. Разрешение Выхода синхронизации ......................................................... 285
10.2.3. Разрешение Системы защиты тактирования................................... 285
10.3. Калибровка HSI-генератора........................................................................................ 286
11. Таймеры ............................................................................................................................... 288
11.1. Введение в таймеры ..................................................................................................... 288
11.1.1. Категории таймеров в микроконтроллере STM32 ............................ 289
11.1.2. Доступность таймеров в ассортименте STM32 ................................... 291
11.2. Базовые таймеры ........................................................................................................... 293
11.2.1. Использование таймеров в режиме прерываний ................................ 296
11.2.1.1. Генерация временного отсчета в таймерах расширенного
управления ...................................................................................... 299
11.2.2. Использование таймеров в режиме опроса ........................................... 299
11.2.3. Использование таймеров в режиме DMA .............................................. 300
11.2.4. Остановка таймера ........................................................................................ 302
11.2.5. Использование CubeMX для конфигурации базового таймера .... 302
11.3. Таймеры общего назначения .................................................................................... 303
11.3.1. Генератор временного отсчета с внешними источниками
тактового сигнала .......................................................................................... 303
11.3.1.1. Режим внешнего тактирования 2 ......................................... 305
11.3.1.2. Режим внешнего тактирования 1 ......................................... 309
11.3.1.3. Использование CubeMX для конфигурации источника
тактового сигнала таймера общего назначения ................ 313
11.3.2. Режимы синхронизации ведущего/ведомого таймеров ................ 315
11.3.2.1. Разрешение прерываний, относящихся к триггерной
цепи ................................................................................................. 320
11.3.2.2. Использование CubeMX для конфигурации
синхронизации ведущего/ведомого устройств .............. 320
11.3.3. Программная генерация связанных с таймером событий ............ 321
11.3.4. Режимы отсчета ............................................................................................. 323
11.3.5. Режим захвата входного сигнала ............................................................ 324
11.3.5.1. Использование CubeMX для конфигурации режима
захвата входного сигнала ........................................................ 330
11.3.6. Режим сравнения выходного сигнала ................................................... 331
11.3.6.1. Использование CubeMX для конфигурации режима
сравнения выходного сигнала ............................................... 336
11.3.7. Генерация широтно-импульсного сигнала ......................................... 336
11.3.7.1. Генерация синусоидального сигнала при помощи ШИМ
............................................................................................................ 340
11.3.7.2. Использование CubeMX для конфигурации режима
ШИМ ................................................................................................ 345
11.3.8. Одноимпульсный режим ........................................................................... 345
ОГЛАВЛЕНИЕ
11.3.8.1. Использование CubeMX для конфигурации
одноимпульсного режима ...................................................... 347
11.3.9. Режим энкодера ............................................................................................. 348
11.3.9.1. Использование CubeMX для конфигурации режима
энкодера ........................................................................................... 353
11.3.10. Другие функции, доступные в таймерах общего назначения и
расширенного управления ............................................................................. 353
11.3.10.1. Режим датчика Холла ............................................................... 354
11.3.10.2. Комбинированный режим трехфазной ШИМ и другие
функции управления двигателем ........................................ 354
11.3.10.3. Вход сброса таймера и блокировка регистров таймера 355
11.3.10.4. Предварительная загрузка регистра автоперезагрузки 355
11.3.11. Отладка и таймеры ....................................................................................... 356
11.4. Системный таймер SysTick ........................................................................................ 357
11.4.1. Использование другого таймера в качестве источника системного
временного отсчета ....................................................................................... 358
11.5. Пример из практики: как точно измерить микросекунды с помощью
микроконтроллеров STM32 ........................................................................................ 359
12. Аналого-цифровое преобразование ............................................................................ 365
12.1. Введение в АЦП последовательного приближения ......................................... 365
12.2. Модуль HAL_ADC ............................................................................................................... 370
12.2.1. Режимы преобразования ............................................................................ 372
12.2.1.1. Режим однократного преобразования одного канала .. 373
12.2.1.2. Режим сканирования с однократным преобразованием
............................................................................................................ 373
12.2.1.3. Режим непрерывного преобразования одного канала . 374
12.2.1.4. Режим сканирования с непрерывным преобразованием
............................................................................................................ 374
12.2.1.5. Режим преобразования инжектированных каналов ..... 375
12.2.1.6. Парный режим ............................................................................. 375
12.2.2. Выбор канала ................................................................................................... 376
12.2.3. Разрядность АЦП и скорость преобразования .................................... 377
12.2.4. Аналого-цифровые преобразования в режиме опроса ................... 377
12.2.5. Аналого-цифровые преобразования в режиме прерываний ....... 381
12.2.6. Аналого-цифровые преобразования в режиме DMA ....................... 382
12.2.6.1. Многократное преобразование одного канала в режиме
DMA ................................................................................................. 386
12.2.6.2. Многократные и не непрерывные преобразования в
режиме DMA ................................................................................. 386
12.2.6.3. Непрерывные преобразования в режиме DMA .............. 386
12.2.7. Обработка ошибок ......................................................................................... 386
12.2.8. Преобразования, управляемые таймером ............................................ 387
12.2.9. Преобразования, управляемые внешними событиями .................. 390
12.2.10. Калибровка АЦП............................................................................................. 390
12.3. Использование CubeMX для конфигурации АЦП ............................................. 391
13. Цифро-аналоговое преобразование ............................................................................ 393
13.1. Введение в периферийное устройство ЦАП........................................................ 393
13.2. Модуль HAL_DAC ............................................................................................................... 396