Это моя первая статья на хабре, поэтому прошу не кидаться тяжелыми предметами. Заранее спасибо.
Начнем с предыстории. Когда-то мне пришлось перейти на микроконтроллеры ARM фирмы ST. Это было связано с тем, что PIC и AVR уже не хватало и хотелось новых приключений. Из доступного в хлебобулочных магазинах и большого количества статей о быстром старте выбор пал именно на STM32F100.
Я привык работать в IAR. Да, есть другие IDE, но мне хватает возможности IAR: относительно удобный редактор, не плохой отладчик и достаточно удобно работать с регистрами во время отладки.
Когда я попытался сделать первый проект меня ждало разочарование CMSIS! Кому как, но для меня это было (и остается) ужасом: много буков, длинные и для меня не понятные структуры. Вникать во все это было не интересно. Попытался скомпилировать пару примеров и понял это не наш метод.
Неужели нет других вариантов? Есть. Тот, встроенный в IAR: iostm32f10xx4.h и подобные инклудники. Вполне не плохо:
RCC_APB2ENR_bit.ADC1EN = 1; // включить тактирование ADC
Оставалось это запихнуть в классы и пользоваться. Так и сделал. Через какое-то время потребовалось сделать код для STM32f4xx. И тут снова засада нет инклудиков. Что делать? писать самому. Проанализировал имеющиеся самописные библиотеки решил немного сделать по другому. Вот об этом и будет рассказ.
Начало
Про установку IAR и драйверов для отладчика рассказывать не буду, т.к. здесь ничего нового. У меня стоит IAR 8 с ограниченем кода в 32кБ. Для работы выбран контроллер STM32F103, установленный на плате plue pill.
Запускаем IAR, создаем проект c++, выбираем нужный контроллер
Следующий шаг изучение документации. Нас будет интересовать Reference manual RM0008. Там главное внимательно читать.
Вообще, когда я обучал своих работников программированию контроллеров, я давал задание включить светодиод (подключенный к ножке контроллера), использую дебагер, редактирую регистры и читая документацию.
Модуль RCC. Такирование
Про этот модуль обычно забывают. Вспоминают только тогда, когда не получается мигнуть светодиодом.
Запомните! Что бы включить какую-либо периферию, на нее надо подать тактовые импульсы! Без этого никак.
Порты ввода-вывода сидят на шине APB2. Находим в документации регист для упрвления тактированием этой шины, это RCC_APB2ENR:
Чтобы включить тактирование порта C (светодиод как раз припаян к PC13), требуется записать в бит IOPCEN единичку.
Теперь найдем адрес регистра RCC_APB2ENR. Смещение у него 0x18, базовый адрес для регистров RCC 0x40021000.
Чтобы удобно было работать с битами, создадим структуру:
typedef struct{ uint32_t AFIOEN : 1; uint32_t : 1; uint32_t IOPAEN : 1; uint32_t IOPBEN : 1; uint32_t IOPCEN : 1; uint32_t IOPDEN : 1; uint32_t IOPEEN : 1; uint32_t : 2; uint32_t ADC1EN : 1; uint32_t ADC2EN : 1; uint32_t TIM1EN : 1; uint32_t SPI1EN : 1; uint32_t : 1; uint32_t USART1EN : 1; uint32_t :17;} RCC_APB2ENR_b;
Чтобы потом не мучаться, сразу перечислим все адреса регистров
enum AddrRCC{ RCC_CR = 0x40021000, RCC_CFGR = 0x40021004, RCC_CIR = 0x40021008, RCC_APB2RSTR = 0x4002100C, RCC_APB1RSTR = 0x40021010, RCC_AHBENR = 0x40021014, RCC_APB2ENR = 0x40021018, RCC_APB1ENR = 0x4002101C, RCC_BDCR = 0x40021020, RCC_CSR = 0x40021024};
теперь остается написать код для включения периферии
static void EnablePort(uint8_t port_name){ volatile RCC_APB2ENR_b* apb2enr = reinterpret_cast<RCC_APB2ENR_b*>(RCC_APB2ENR); switch (port_name) { case 'A': apb2enr->IOPAEN = 1; break; case 'a': apb2enr->IOPAEN = 1; break; case 'B': apb2enr->IOPBEN = 1; break; case 'b': apb2enr->IOPBEN = 1; break; case 'C': apb2enr->IOPCEN = 1; break; case 'c': apb2enr->IOPCEN = 1; break; case 'D': apb2enr->IOPDEN = 1; break; case 'd': apb2enr->IOPDEN = 1; break; case 'E': apb2enr->IOPEEN = 1; break; case 'e': apb2enr->IOPEEN = 1; break; }}
При работе с регистрами не забываем про volatile, иначе после оптимизации компилятором долго будем искать ошибки и ругать разработчиков компилятора.
Тоже самое делаем для включения тактирвания другой периферии.
В итоге получился такой класс (не все перечислено)
STM32F1xx_RCC.h
#pragma once#include "stdint.h"namespace STM32F1xx{ class RCC { protected: enum AddrRCC { RCC_CR = 0x40021000, RCC_CFGR = 0x40021004, RCC_CIR = 0x40021008, RCC_APB2RSTR = 0x4002100C, RCC_APB1RSTR = 0x40021010, RCC_AHBENR = 0x40021014, RCC_APB2ENR = 0x40021018, RCC_APB1ENR = 0x4002101C, RCC_BDCR = 0x40021020, RCC_CSR = 0x40021024 }; typedef struct { uint32_t HSION : 1; uint32_t HSIRDY : 1; uint32_t : 1; uint32_t HSI_TRIM : 5; uint32_t HSI_CAL : 8; uint32_t HSEON : 1; uint32_t HSERDY : 1; uint32_t HSEBYP : 1; uint32_t CSSON : 1; uint32_t : 4; uint32_t PLLON : 1; uint32_t PLLRDY : 1; uint32_t : 6; } RCC_CR_b; typedef struct { uint32_t SW : 2; uint32_t SWS : 2; uint32_t HPRE : 4; uint32_t PPRE1 : 3; uint32_t PPRE2 : 3; uint32_t ADC_PRE : 2; uint32_t PLLSRC : 1; uint32_t PLLXTPRE : 1; uint32_t PLLMUL : 4; uint32_t USBPRE : 1; uint32_t : 1; uint32_t MCO : 3; uint32_t : 5; } RCC_CFGR_b; typedef struct { uint32_t TIM2EN : 1; uint32_t TIM3EN : 1; uint32_t TIM4EN : 1; uint32_t : 8; uint32_t WWDGEN : 1; uint32_t : 2; uint32_t SPI2EN : 1; uint32_t : 2; uint32_t USART2EN : 1; uint32_t USART3EN : 1; uint32_t : 2; uint32_t I2C1EN : 1; uint32_t I2C2EN : 1; uint32_t USBEN : 1; uint32_t : 1; uint32_t CANEN : 1; uint32_t : 1; uint32_t BKPEN : 1; uint32_t PWREN : 1; uint32_t : 3; } RCC_APB1ENR_b; typedef struct { uint32_t AFIOEN : 1; uint32_t : 1; uint32_t IOPAEN : 1; uint32_t IOPBEN : 1; uint32_t IOPCEN : 1; uint32_t IOPDEN : 1; uint32_t IOPEEN : 1; uint32_t : 2; uint32_t ADC1EN : 1; uint32_t ADC2EN : 1; uint32_t TIM1EN : 1; uint32_t SPI1EN : 1; uint32_t : 1; uint32_t USART1EN : 1; uint32_t :17; } RCC_APB2ENR_b; typedef struct { uint32_t DMAEN : 1; uint32_t : 1; uint32_t SRAMEN : 1; uint32_t : 1; uint32_t FLITFEN : 1; uint32_t : 1; uint32_t CRCEN : 1; uint32_t :25; } RCC_AHBENR_r; public: static void EnablePort(uint8_t port_name) { volatile RCC_APB2ENR_b* apb2enr = reinterpret_cast<RCC_APB2ENR_b*>(RCC_APB2ENR); switch (port_name) { case 'A': apb2enr->IOPAEN = 1; break; case 'a': apb2enr->IOPAEN = 1; break; case 'B': apb2enr->IOPBEN = 1; break; case 'b': apb2enr->IOPBEN = 1; break; case 'C': apb2enr->IOPCEN = 1; break; case 'c': apb2enr->IOPCEN = 1; break; case 'D': apb2enr->IOPDEN = 1; break; case 'd': apb2enr->IOPDEN = 1; break; case 'E': apb2enr->IOPEEN = 1; break; case 'e': apb2enr->IOPEEN = 1; break; } } static void DisablePort(char port_name) { volatile RCC_APB2ENR_b* apb2enr = reinterpret_cast<RCC_APB2ENR_b*>(RCC_APB2ENR); switch (port_name) { case 'A': apb2enr->IOPAEN = 0; break; case 'a': apb2enr->IOPAEN = 0; break; case 'B': apb2enr->IOPBEN = 0; break; case 'b': apb2enr->IOPBEN = 0; break; case 'C': apb2enr->IOPCEN = 0; break; case 'c': apb2enr->IOPCEN = 0; break; case 'D': apb2enr->IOPDEN = 0; break; case 'd': apb2enr->IOPDEN = 0; break; case 'E': apb2enr->IOPEEN = 0; break; case 'e': apb2enr->IOPEEN = 0; break; } } static void EnableAFIO() { volatile RCC_APB2ENR_b* apb2enr = reinterpret_cast<RCC_APB2ENR_b*>(RCC_APB2ENR); apb2enr->AFIOEN = 1; } static void DisableAFIO() { volatile RCC_APB2ENR_b* apb2enr = reinterpret_cast<RCC_APB2ENR_b*>(RCC_APB2ENR); apb2enr->AFIOEN = 0; } static void EnableI2C(int PortNumber) { switch (PortNumber) { case 1: { volatile RCC_APB1ENR_b* apb1enr = reinterpret_cast<RCC_APB1ENR_b*>(RCC_APB1ENR); apb1enr->I2C1EN = 1; break; } case 2: { volatile RCC_APB1ENR_b* apb1enr = reinterpret_cast<RCC_APB1ENR_b*>(RCC_APB1ENR); apb1enr->I2C2EN = 1; break; } } } static void EnableUART(int PortNumber) { switch (PortNumber) { case 1: { volatile RCC_APB2ENR_b* apb2enr = reinterpret_cast<RCC_APB2ENR_b*>(RCC_APB2ENR); apb2enr->USART1EN = 1; break; } case 2: { volatile RCC_APB1ENR_b* apb1enr = reinterpret_cast<RCC_APB1ENR_b*>(RCC_APB1ENR); apb1enr->USART2EN = 1; break; } case 3: { volatile RCC_APB1ENR_b* apb1enr = reinterpret_cast<RCC_APB1ENR_b*>(RCC_APB1ENR); apb1enr->USART3EN = 1; break; } } } static void DisableUART(int PortNumber) { switch (PortNumber) { case 1: { volatile RCC_APB2ENR_b* apb2enr = reinterpret_cast<RCC_APB2ENR_b*>(RCC_APB2ENR); apb2enr->USART1EN = 0; break; } case 2: { volatile RCC_APB1ENR_b* apb1enr = reinterpret_cast<RCC_APB1ENR_b*>(RCC_APB1ENR); apb1enr->USART2EN = 0; break; } case 3: { volatile RCC_APB1ENR_b* apb1enr = reinterpret_cast<RCC_APB1ENR_b*>(RCC_APB1ENR); apb1enr->USART3EN = 0; break; } } } static void EnableSPI(int PortNumber) { switch (PortNumber) { case 1: { volatile RCC_APB2ENR_b* apb2enr = reinterpret_cast<RCC_APB2ENR_b*>(RCC_APB2ENR); apb2enr->SPI1EN = 1; break; } case 2: { volatile RCC_APB1ENR_b* apb1enr = reinterpret_cast<RCC_APB1ENR_b*>(RCC_APB1ENR); apb1enr->SPI2EN = 1; break; } } } static void DisableSPI(int PortNumber) { switch (PortNumber) { case 1: { volatile RCC_APB2ENR_b* apb2enr = reinterpret_cast<RCC_APB2ENR_b*>(RCC_APB2ENR); apb2enr->SPI1EN = 0; break; } case 2: { volatile RCC_APB1ENR_b* apb1enr = reinterpret_cast<RCC_APB1ENR_b*>(RCC_APB1ENR); apb1enr->SPI2EN = 0; break; } } } static void EnableDMA() { volatile RCC_AHBENR_r* ahbenr = reinterpret_cast<RCC_AHBENR_r*>(RCC_AHBENR); ahbenr->DMAEN = 1; } static void DisableDMA() { volatile RCC_AHBENR_r* ahbenr = reinterpret_cast<RCC_AHBENR_r*>(RCC_AHBENR); ahbenr->DMAEN = 0; } };}
Теперь можно в main.cpp присоединить файл и пользоваться:
#include "STM32F1xx_RCC.h"using namespace STM32F1xx;int main(){ RCC::EnablePort('c'); return 0;}
Теперь можно и с портами поработать. GPIO
Открываем в документации раздел General-purpose and alternate-function I/Os. Находим Port bit configuration table:
Битами CNF[1:0] задается режим работы порта (аналоговый вход, цифровой вход, выход), биты MODE[1:0] отвечат за скорость работы порта в режиме выход.
Взглянем на регистры GPIOx_CRL и GPIOx_CRH (x=A, B, C,...)
видно, что биты идут последовательно:
CNF[1:0], MODE[1:0]
тогда создадим константы с режимами работы портов
enum mode_e{ ANALOGINPUT = 0, INPUT = 4, INPUTPULLED = 8, OUTPUT_10MHZ = 1, OUTPUT_OD_10MHZ = 5, ALT_OUTPUT_10MHZ = 9, ALT_OUTPUT_OD_10MHZ = 13, OUTPUT_50MHZ = 3, OUTPUT_OD_50MHZ = 7, ALT_OUTPUT_50MHZ = 11, ALT_OUTPUT_OD_50MHZ = 15, OUTPUT_2MHZ = 2, OUTPUT_OD_2MHZ = 6, ALT_OUTPUT_2MHZ = 10, ALT_OUTPUT_OD_2MHZ = 14, OUTPUT = 3, OUTPUT_OD = 7, ALT_OUTPUT = 11, ALT_OUTPUT_OD = 15};
тогда метод для конфигурации будет выглядеть так:
// pin_number - номер портаvoid Mode(mode_e mode){ uint32_t* addr; if(pin_number > 7) addr = reinterpret_cast<uint32_t*>(GPIOA_CRH); else addr = reinterpret_cast<uint32_t*>(GPIOA_CRL); int bit_offset; if(pin_number > 7) bit_offset = (pin_number - 8) * 4; else bit_offset = pin_number * 4; uint32_t mask = ~(15 << bit_offset); *addr &= mask; *addr |= ((int)mode) << bit_offset;}
теперь можно сделать более удобные методы для выбора режима:
void ModeInput() { Mode(INPUT); } void ModeAnalogInput() { Mode(ANALOGINPUT); } void ModeInputPulled() { Mode(INPUTPULLED); } void ModeOutput() { Mode(OUTPUT); } void ModeOutputOpenDrain() { Mode(OUTPUT_OD); } void ModeAlternate() { Mode(ALT_OUTPUT); } void ModeAlternateOpenDrain() { Mode(ALT_OUTPUT_OD); }
В документации находим адреса управляющих регистров для портов и перечислим
enum AddrGPIO{ PortA = 0x40010800, GPIOA_CRL = 0x40010800, GPIOA_CRH = 0x40010804, GPIOA_IDR = 0x40010808, GPIOA_ODR = 0x4001080C, GPIOA_BSRR = 0x40010810, GPIOA_BRR = 0x40010814, GPIOA_LCKR = 0x40010818, PortB = 0x40010C00, PortC = 0x40011000, PortD = 0x40011400, PortE = 0x40011800, PortF = 0x40011C00, PortG = 0x40012000};
Долго думал использовать базовый адрес и смещения или абсолютные адреса. В итоге остановился на последнем. Это добавляет некоторые издержки, но в процессе отладки удобней находить в памяти.
Модернизируем метод
if(pin_number > 7) addr = reinterpret_cast<uint32_t*>(GPIOA_CRH - PortA + PortAddr);else addr = reinterpret_cast<uint32_t*>(GPIOA_CRL - PortA + PortAddr);
Возможно, у кого-то будет глаз дергаться, но красивее пока не придумал.
Чтобы перевести ножку в нужное логическое состояние, достаточно записать соответствующий бит в регистре ODRx. Например, так:
void Set(bool st){ uint32_t* addr; addr = reinterpret_cast<uint32_t*>(GPIOA_ODR - PortA + PortAddr); if(st) *addr |= 1 << pin_number; else { int mask = ~(1 << pin_number); *addr &= mask; } }
Также для управления состоянием можно воспользоваться регистрами GPIOx_BSRR.
По аналогии делаем методы для считывания состояния порта, методы для конфигурации и инициализации (не забываем включить тактирование). В итоге получился такой класс для работы с портами
STM32F1xx_Pin.h
#pragma once#include <stdint.h>#include "STM32F1xx_RCC.h"namespace STM32F1xx{ class Pin { public: enum mode_e { ANALOGINPUT = 0, INPUT = 4, INPUTPULLED = 8, OUTPUT_10MHZ = 1, OUTPUT_OD_10MHZ = 5, ALT_OUTPUT_10MHZ = 9, ALT_OUTPUT_OD_10MHZ = 13, OUTPUT_50MHZ = 3, OUTPUT_OD_50MHZ = 7, ALT_OUTPUT_50MHZ = 11, ALT_OUTPUT_OD_50MHZ = 15, OUTPUT_2MHZ = 2, OUTPUT_OD_2MHZ = 6, ALT_OUTPUT_2MHZ = 10, ALT_OUTPUT_OD_2MHZ = 14, OUTPUT = 3, OUTPUT_OD = 7, ALT_OUTPUT = 11, ALT_OUTPUT_OD = 15 }; private: enum AddrGPIO { PortA = 0x40010800, GPIOA_CRL = 0x40010800, GPIOA_CRH = 0x40010804, GPIOA_IDR = 0x40010808, GPIOA_ODR = 0x4001080C, GPIOA_BSRR = 0x40010810, GPIOA_BRR = 0x40010814, GPIOA_LCKR = 0x40010818, PortB = 0x40010C00, PortC = 0x40011000, PortD = 0x40011400, PortE = 0x40011800, PortF = 0x40011C00, PortG = 0x40012000 }; private: int pin_number; int PortAddr; public: Pin() { } Pin(char port_name, int pin_number) { Init(port_name, pin_number); } ~Pin() { Off(); ModeAnalogInput(); } public: void Init(char port_name, int pin_number) { this->pin_number = pin_number; RCC::EnablePort(port_name); switch (port_name) { case 'A': PortAddr = PortA; break; case 'a': PortAddr = PortA; break; case 'B': PortAddr = PortB; break; case 'b': PortAddr = PortB; break; case 'C': PortAddr = PortC; break; case 'c': PortAddr = PortC; break; case 'D': PortAddr = PortD; break; case 'd': PortAddr = PortD; break; case 'E': PortAddr = PortE; break; case 'e': PortAddr = PortE; break; } } void ModeInput() { Mode(INPUT); } void ModeAnalogInput() { Mode(ANALOGINPUT); } void ModeInputPulled() { Mode(INPUTPULLED); } void ModeOutput() { Mode(OUTPUT); } void ModeOutputOpenDrain() { Mode(OUTPUT_OD); } void ModeAlternate() { Mode(ALT_OUTPUT); } void ModeAlternateOpenDrain() { Mode(ALT_OUTPUT_OD); } void NoPullUpDown() { uint32_t* addr; if(pin_number > 7) addr = reinterpret_cast<uint32_t*>(GPIOA_CRH - PortA + PortAddr); else addr = reinterpret_cast<uint32_t*>(GPIOA_CRL - PortA + PortAddr); int bit_offset; if(pin_number > 7) bit_offset = (pin_number - 8) * 4; else bit_offset = pin_number * 4; int mask = ~((1 << 3) << bit_offset); *addr &= mask; } void Mode(mode_e mode) { uint32_t* addr; if(pin_number > 7) addr = reinterpret_cast<uint32_t*>(GPIOA_CRH - PortA + PortAddr); else addr = reinterpret_cast<uint32_t*>(GPIOA_CRL - PortA + PortAddr); int bit_offset; if(pin_number > 7) bit_offset = (pin_number - 8) * 4; else bit_offset = pin_number * 4; uint32_t mask = ~(15 << bit_offset); *addr &= mask; *addr |= ((int)mode) << bit_offset; } void Set(bool st) { uint32_t* addr; addr = reinterpret_cast<uint32_t*>(GPIOA_ODR - PortA + PortAddr); if(st) *addr |= 1 << pin_number; else { int mask = ~(1 << pin_number); *addr &= mask; } } void On() { uint32_t* addr; addr = reinterpret_cast<uint32_t*>(GPIOA_ODR - PortA + PortAddr); int bit_offset = pin_number; *addr |= 1 << bit_offset; } void Off() { uint32_t* addr; addr = reinterpret_cast<uint32_t*>(GPIOA_ODR - PortA + PortAddr); int bit_offset = pin_number; int mask = ~(1 << bit_offset); *addr &= mask; } bool Get() { uint32_t* addr = reinterpret_cast<uint32_t*>(GPIOA_IDR - PortA + PortAddr); int bit_offset = pin_number; int mask = (1 << bit_offset); bool ret_val = (*addr & mask); return ret_val; } };};
Ну что, опробуем:
#include "STM32F1xx_Pin.h"using namespace STM32F1xx;Pin led('c', 13);int main(){ led.ModeOutput(); led.On(); led.Off(); return 0;}
Проходим дебагером и убеждаемся, что светодиод сначала загорается (после led.ModeOutput();), потом гаснет (led.On();) и снова загорается (led.Off();). Это связано с тем, что светодиод подклчен к ножке через линию питания. Поэтому, когда на выводе низкий уровень, светодиод загорается.
Не большие итоги
В данной статье я попытался (надеюсь, получилось) показать как можно немного упростить себе жизнь, сделать код более читаемым. Или наоборот как нельзя делать. Каждый решит сам.
Можно было просто написать враперы для CMSIS, но это не интересно.
Спасибо за уделенное время. Если интересно продолжение дайте знать.
