Прошивка ST Link, установка драйверов. Начинаем изучать Cortex-M на примере STM32 Подключение st link к stm32
В последние годы 32 разрядные микроконтроллеры (МК) на основе процессоров ARM стремительно завоёвывают мир электроники. Этот прорыв обусловлен их высокой производи тельностью, совершенной архитектурой, малым потреблением энергии, низкой стоимостью и развитыми средствами программирования.
КРАТКАЯ ИСТОРИЯ
Название ARM является аббревиатурой Advanced RISC Machines, где RISC (Reduced Instruction Set Computer) обозначает архитектуру процессоров с сокращённым набором команд. Подавляющее число популярных МК, а пример семейства PIC и AVR, также имеют архитектуру RISC, которая позволила увеличить быстродействие за счёт упрощения декодирования инструкций и ускорения их выполнения. Появление совершенных и производительных 32 разрядных ARMмикроконтроллеров позволяет перейти к решению более сложных задач, с которыми уже не справляются 8 и 16 разрядные МК. Микропроцессорная архитектура ARM с 32 разрядным ядром и набором команд RISC была разработана британской компанией ARM Ltd, которая занимается исключительно разработкой ядер, компиляторов и средств отладки. Компания не производит МК, а продаёт лицензии на их производство. МК ARM – один из быстро развивающихся сегментов рынка МК. Эти приборы используют технологии энергосбережения, поэтому находят широкое применение во встраиваемых системах и доминируют на рынке мобильных устройств, для которых важно низкое энергопотребление. Кроме того, ARM микроконтроллеры активно применяются в средствах связи, портативных и встраиваемых устройствах, где требуется высокая производительность. Особенностью архитектуры ARM является вычислительное ядро процессора, не оснащённое какими либо дополнительными элементами. Каждый разработчик процессоров должен самостоятельно до оснастить это ядро необходимыми блоками под свои конкретные задачи. Такой подход хорошо себя зарекомендовал для крупных производителей микросхем, хотя изначально был ориентирован на классические процессорные решения. Процессоры ARM уже прошли несколько этапов развития и хорошо известны семействами ARM7, ARM9, ARM11 и Cortex. Последнее делится на подсемейства классических процессоров CortexA, процессоров для систем реального времени CortexR и микропроцессорные ядра CortexM. Именно ядра CortexM стали основой для разработки большого класса 32 разрядных МК. От других вариантов архитектуры Cortex они отличаются, прежде всего, использованием 16разрядного набора инструкций Thumb2. Этот набор совмещал в себе производительность и компактность «классических» инструкций ARM и Thumb и разрабатывался специально для работы с языками С и С++, что существенно повышает качество кода. Большим достоинством МК, построенных на ядре CortexM, является их программная совместимость, что теоретически позволяет использовать программный код на языке высокого уровня в моделях разных производителей. Кроме обозначения области применения ядра, разработчики МК указывают производительность ядра CortexM по десятибалльной шкале. На сегодняшний день самыми популярными вариантами являются CortexM3 и CortexM4. МК с архитектурой ARM производят такие компании, как Analog Devices, Atmel, Xilinx, Altera, Cirrus Logic, Intel, Marvell, NXP, STMicroelectronics, Samsung, LG, MediaTek, MStar, Qualcomm, SonyEricsson, Texas Instruments, nVidia, Freescale, Миландр, HiSilicon и другие.
Благодаря оптимизированной архитектуре стоимость МК на основе ядра CortexM в некоторых случаях даже ни же, чем у многих 8разрядных приборов. «Младшие» модели в настоящее время можно приобрести по 30 руб. за корпус, что создаёт конкуренцию предыдущим поколениям МК. МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ STM32 Рассмотрим наиболее доступный и широко распространённый МК семейства STM32F100 от компании STMicroelectronics , которая является одним из ведущих мировых производителей МК. Недавно компания объявила о начале производства 32битного МК, использующего преимущества индустриального
ядра STM32 в недорогих приложениях. МК семейства STM32F100 Value line предназначены для устройств, где не хватает производительности 16разрядных МК, а богатый функционал «обычных» 32разрядных приборов является избыточным. Линейка МК STM32F100 базируется на современном ядре ARM CortexM3 с периферией, оптимизированной для применения в типичных приложениях, где использовались 16разрядные МК. Производительность МК STM32F100 на тактовой частоте 24 МГц превосходит большинство 16разрядных МК. Данная линейка включает приборы с различными параметрами:
● от 16 до 128 кбайт флэшпамяти программ;
● от 4 до 8 кбайт оперативной памяти;
● до 80 портов ввода вывода GPIO;
● до девяти 16разрядных таймеров с расширенными функциями;
● два сторожевых таймера;
● 16канальный высокоскоростной 12разрядный АЦП;
● два 12разрядных ЦАП со встроенными генераторами сигналов;
● до трёх интерфейсов UART с поддержкой режимов IrDA, LIN и ISO7816;
● до двух интерфейсов SPI;
● до двух интерфейсов I2С с поддержкой режимов SMBus и PMBus;
● 7канальный блок прямого доступа к памяти (DMA);
● интерфейс CEC (Consumer Electronics Control), включённый в стандарт HDMI;
● часы реального времени (RTC);
● контроллер вложенных прерываний NVIC.
Функциональная схема STM32F100 представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Архитектура МК линейки STM32F100
Дополнительным удобством является совместимость приборов по выводам, что позволяет, при необходимости, использовать любой МК семейства с большей функциональностью и памятью без переработки печатной платы. Линейка контроллеров STM32F100 производится в трёх типах корпусов LQFP48, LQFP64 и LQFP100, имеющих, соответственно, 48, 64 и 100 выводов. Назначение выводов представлено на рисунках 2, 3 и 4. Такие корпуса можно устанавливать на печатные платы без применения специального оборудования, что является весомым фактором при мелкосерийном производстве.
Рис. 2. МК STM32 в корпусе LQFP48 Рис. 3. МК STM32 в корпусе LQFP64
Рис. 4. МК STM32 в корпусе LQFP100
STM32F100 – доступный и оптимизированный прибор, базирующийся на ядре CortexM3, поддерживается развитой средой разработки МК семейства STM32, которая содержит
бесплатные библиотеки для всей пе риферии, включая управление двига телями и сенсорными клавиатурами.
СХЕМА ВКЛЮЧЕНИЯ STM32F100C4
Рассмотрим практическое использование МК на примере самого простого прибора STM32F100C4, который, тем не менее, содержит все основные блоки линейки STM32F100. Принципиальная электрическая схема включения STM32F100C4 представлена на рисунке 5.
Рис. 5. Схема включения МК STM32F100C4
Конденсатор С1 обеспечивает сброс МК при включении питания, а конденсаторы С2-С6 фильтруют напряжение питания. Резисторы R1 и R2 ограничивают сигнальный ток выводов МК. В качестве источника тактовой частоты используется внутренний генератор, поэтому нет необходимости применять внешний кварцевый резонатор.
Входы BOOT0 и BOOT1 позволяют выбрать способ загрузки МК при включении питания в соответствии с таб лицей. Вход BOOT0 подключён к шине нулевого потенциала через резистор R2, который предохраняет вывод BOOT0 от короткого замыкания при его использовании в качестве выход ного порта PB2. С помощью соединителя J1 и одной перемычки можно из менять потенциал на входе BOOT0, определяя тем самым способ загрузки МК – из флэшпамяти или от встроенного загрузчика. При необходимости загрузки МК из оперативной памяти аналогичный соединитель с перемычкой можно подключить и к входу BOOT1.
Программирование МК осуществляется через последовательный порт UART1 или через специальные программаторы – отладчики JTAG или STLink. Последний входит в состав популярного отладочного устройства STM32VLDISCOVERY , изображённого на рисунке 6. На плате STM32VLDIS COVERY 4контактный разъём программатора – отладчика STLink – имеет обозначение SWD. Автор статьи предлагает программировать МК через последовательный порт UART1, поскольку это значительно проще, не требует специального оборудования и не уступает в скорости JTAG или ST Link. В качестве управляющего устройства, способного формировать команды и отображать результаты работы про граммы МК, а также в качестве программатора можно использовать любой персональный компьютер (ПК), имеющий последовательный COM порт или порт USB с преобразователем USBRS232.
Для сопряжения COMпорта ПК с МК подойдет любой преобразователь сиг налов RS232 в уровни логических сигналов от 0 до 3,3 В, например, микросхема ADM3232. Линия передачи TXD последовательного порта компьютера, после преобразователя уровней, должна подключаться к входу PA10 микроконтроллера, а линия приёмника RXD, через аналогичный преобразователь, – к выходу PA9.
При необходимости использования энергонезависимых часов МК, к нему следует подключить элемент питания типа CR2032 с напряжением 3 В и кварцевый резонатор на частоту 32768 Гц. Для этого МК оснащён выводами Vbat/GND и OSC32_IN/OSC32_OUT. Предварительно вывод Vbat необходимо отключить от шины питания 3,3 В.
Оставшиеся свободными выводы МК можно использовать по необходимости. Для этого их следует подключить к разъёмам, которые расположены по периметру печатной платы для МК, по аналогии с популярными устройствами Arduino и отладочной платой STM32VLDISCOVERY .
Рис. 6. Отладочное устройство STM32VLDISCOVERY
Схема электрическая принципиальная STM32VLDISCOVERY.
Таким образом, в зависимости от назначения и способа применения МК, к нему можно подключать необходимые элементы, чтобы задействовать другие функциональные блоки и пор ты, например, ADC, DAC, SPI, I2C и т.п. В дальнейшем эти устройства будут рас смотрены подробнее.
ПРОГРАММИРОВАНИЕ
Сегодня многие компании предлагают средства для создания и отладки программ микроконтроллеров STM32. К их числу относятся Keil от ARM Ltd, IAR Embedded Workbench for ARM, Atol lic TrueStudio, CooCox IDE, GCC и Eclipse IDE. Разработчик может выбрать про граммные средства по своему пред почтению. Ниже будет описан инструментарий Keil uVision 4 от компании Keil , который поддерживает огромное число типов МК, имеет развитую систему отладочных средств и может быть использован бесплатно с ограничениями размера генерируемого кода 32 кбайт (что, фактически, максимально для рассматриваемых МК).
Простой и быстрый старт с CooCox CoIDE.
Итак приступим. Идем на официальный сайт CooCox и качаем последнюю версию CooCox CoIDE . Для скачивания необходимо зарегистрироваться, регистрация простая и бесплатная. Затем инсталлируем скачанный файл и запускаем.
CooCox CoIDE — среда разработки, на базе Eclipse, которая помимо STM32 поддерживает кучу других семейств микроконтроллеров: Freescale, Holtek, NXP, Nuvoton, TI, Atmel SAM, Energy Micro и др. С каждой новой версией CoIDE список МК постоянно пополняется. После успешной установки CoIDE запускаем:
Появится стартовое окно Step 1, в котором необходимо выбрать производителя нашего микроконтроллера. Нажимаем ST и переходим к Step 2 (выбор микроконтроллера), в котором необходимо выбрать конкретную модель. У нас STM32F100RBT6B, поэтому нажимаем на соответствующую модель:
Справа, в окне Help отображаются краткие характеристики каждого чипа. После выбора нужного нам микроконтроллера переходим к третьему шагу Step 3 — к выбору необходимых библиотек для работы:
Давайте создадим простейший проект для мигания светодиодом, как это принято для изучения микроконтроллеров.
Для этого нам понадобится библиотека GPIO, при включении которой, CoIDE попросит создать новый проект. На это предложение нажимаем Yes, указываем папку где будет храниться наш проект и его название. При этом, CoIDE подключит к проекту 3 другие, необходимые для работы библиотеки, а также создаст всю необходимую структуру проекта:
Чем еще хорош CoIDE, это тем, что в нем есть возможность загружать примеры прямо в среду разработки. В вкладке Components вы можете видеть, что почти к каждой библиотеке есть примеры, нажимаем на GPIO (with 4 examples) и видим их:
Туда можно добавлять и свои примеры. Как видно на скриншоте выше, в примерах уже присутствует код для мигания светодиодом GPIO_Blink. Можно нажать кнопку add и он добавиться в проект, но как подключаемый файл, поэтому мы сделаем по другому просто скопируем весь код примера в файл main.c. Единственное, строку void GPIO_Blink(void) замените на int main(void). Итак, нажимаем F7 (или в меню выбираем Project->Build), чтобы скомпилировать проект и… не тут то было!
Среде нужен компилятор GCC, а у нас его нет. Поэтому идем на страничку GNU Tools for ARM Embedded Processors , справа выбираем тип вашей ОС и качаем последнюю версию тулчайна. Затем запускаем файл и инсталируем gcc toolchain. Далее, в настройках CoIDE укажем правильный путь к тулчайну:
Опять нажимаем F7 (Project->Build) и видим, что компиляция прошла успешно:
Осталось прошить микроконтроллер. Для этого при помощи USB подключаем нашу плату к компьютеру. Затем, в настройках дебаггера необходимо поставить ST-Link, для этого в меню выбираем Project->Configuration и открываем вкладку Debugger. В выпадающем списке выбираем ST-Link и закрываем окно:
Попробуем прошить МК. В меню выбираем Flash->Program Download (или на панели инструментов щелкаем по соответствующей иконке) и видим, что МК успешно прошит:
На плате наблюдаем мигающий светодиод, видео или фото я думаю приводить нет смысла, т.к. все это видели.
Также, в CoIDE работают различные режимы отладки, для этого нажимаем CTRL+F5 (или в меню Debug->Debug):
На этом все. Как видите, настройка среды CoIDE и работа с ней очень проста. Надеюсь данная статья подтолкнет вас в изучении очень перспективных и недорогих микроконтроллеров STM32.
У STM32 есть очень удобный интерфейс для отладки и прошивки МК - Serial Wire Debug, сокращено SWD
. Его удобство заключается в том, что для отладки надо подключить всего два информационных вывода
и два вывода питания. Схема подключения выглядит следующим образом.
После того как выводы подключены, надо разрешить отладку по SWD
в среде программирования, в KEIL
это делается так.
Также у SWD есть вывод SWO , его подключать необязательно, но если его подключить(подтянув к питанию через 10K), то можно будет выводить сообщения в режиме реального времени. То есть в процессе исполнения кода, МК может слать нам отладочную информацию, например, какой участок кода сейчас выполняется, получается что-то типа usart c терминалом.
Разрешить отправлять отладочную информация по выводу SWO можно во вкладке trace: разрешив трассировку, указав частоту на которой работает МК и порт.
Ниже пример, который позволяет выводить сообщения с помощью SWO , в специальное окошко, само окошко можно открыть так: view->Serial windows->debug (printf) viewer.
#include "stm32f10x.h" #include
Вот как это выглядит, картинку можно увеличить кликнув по ней.
Ну и главное, для чего задумывалась эта статья, в качестве отладчика использую китайский jlink , распиновка его коннектора стандартная и её легко можно найти в интернете, но это не мешает мне постоянно забывать какие выводы куда подключать, поэтому оставлю здесь фотку, какие пины на коннекторе jlik предназначены для SWD .
Собственно можно сказать: "А на кой он мне нужен, когда есть Discovery".
С какой-то стороны да... Но. Первый камень в огород. Собирал схему на Discovery1
для работы с параллельной ОЗУ на 1 Мб. 40 проводков. Отлаживал, отлаживал и бац,
нужно залить другой контроллер. Ё-ё-ё мое. Все разбери, после перепрошивки собери.
Благо есть еще Discovery4. Но та же проблема. Второй камень. Discovery голая плата.
Как-то ваяя очередной шедевр в 60 проводков я где-то на что-то наехал и бум.
Коротнул Discover-ку напрочь. Начал разбираться. Короче коротыш попал на входное
питание от USB. Слава богу или скорее инженеру ST за то что он поставил диод. Тот
принял все на себя и порт не сгорел. Все бы хорошо, да вот надпись 60 на диоде мне
ничего не говорила. Полез на сайт ST, нашел телефон поддержки, звоню. Але говорю,
нужон наминал диёда. А мне в ответ, не волнуйтесь, давайте ка вашу почту. Даю
адрес и бац мне скидывают документацию на Discovery. Схемы, платы, описание. Ну
просто сказка. Я тут же нашел диод, впаял и о чудо, все заработало. После этого
случая дабы не повторить содеянное я решил прикупить программатор от ST. Я думаю
все его видели, такое белое яйцо с эмблемкой. Но так и не купил. Цена, какая цена.
За такую цену можно купить 3 Discovery и иметь сразу три программатора. Немного
подумав я вспомнил про схему которую мне скинули. Там же есть та самая... Открыл
файл, заценил. Хмы, а в первой платке-то ST-LINK и усе, а интересно что в
Discovery4. Взял плату и вижу надпись на ней. www.st.com/stm32f4-discovery. Так...
Зашел по ссылке, куча файлов и о чудо, архив с документацией и схемой. С надеждой
решил зайти на страничку родного программатора. Ага. Ща... Так вам и дали схему.
В общем решил довольствоваться схемой от Discovery4.
Вот она.
Изучил сей манускрипт и понял что тут чего-то не хватат. Полез в ейнтернет и
вижу что на всех просторах есть только две схемы. Одна ну ооочень замороченная,
другая слишком простая (тока SWD). Не думаю, надо их скрестить.
Посидел, покумекал, порисовал и радил вот такое чудо.
На проводок не обращайте внимания. Это я не запаял перемычку, а узрел после
впайки разъема. Так как перемычка оказалась под разъемом и подлезть к ней не
удалось, я припаял проводок. Если пропаять перемычку, то провод не нужен. После
сборки его нужно прошить. Ха. Вот тут затык. Где взять прошивку для МК. Полазив в
интернете я нарыл какую-то кривую прошивку, которая не работает, но имеет одну
важную вещь. С этой прошивкой программатор цепляется к родному ST-шному драйверу
и отдается на обновление прошивкой от ST. То есть после прошивки обнавляемся и все.
И так к делу. Если вы еще не собрали плату, то дальше читать нет смысла. Для тех
кто спаял, смотрим на свое изваяние. Если посмотреть на светодиоды, то рядом с
красным можно увидеть два пина. Перед подачей питания на него нужно надеть джампер.
Далее справа от основного разъема есть еще три пина, это Rx, Tx и GND. К ним
нужно подключить COM-порт. Эта к стати еще один плюс, данный программатор лишен
проблемы курицы и яйца. Для программирования его МК нужен только COM-порт. Какой
вы будете использовать, решать вам. Я использовал физический с переходником на
TTL. Питание нужно подать 3,3в на 1 пин основного разъема. Если программатор
положить светодиодами кверху, то на основном разъеме этот пин будет в левом
нижнем углу. Лично я не стал замарачиватся и запитал от USB. У меня есть USB-хаб
с возможностью подключить внешнее питание, вот через него я и запитал. То есть
питание от USB пришло, а пины для данных не активны.
После того как подключили питание, если все спаяно нормально и без ошибок, МК
должен быть готов к прошиванию. Далее запускаем программу
Да кстати вот архив со всем что нужно. Распаковать в
корень диска.
Жмем Next. Видим как идет общение с МК.
Когда все успокоится снова жмем Next.
В этом окне нужно указать загружаемый файл. Выбираем из архива файл
STLinkV2.J16.S4 и жмем Next. После загрузки окно будет выглядеть так.
Теперь снимаем джампер и отключаем COM-порт. Следующим шагом устанавливаем
драйвер st-link_v2_usbdriver
. На момент написания статьи драйвер самый
последний. Если время прошло много, то можно более свежий драйвер скачать на
сайте ST. После установки драйвера подключаем программатор к USB. Если все до
этого момента было сделано правильно, windows увидит девайс и установит для него
драйвер.
Если все установилось удачно, то запускаем программу ST-LinkUpgrade
с бабочкой.
Появится окно с тетенькой у которой взгляд "Не скажу куда гляжу". Интересно кто
такую нашел. Все же это лицо компании. Ну дело не в этом.
Жмем Device Connect. Если программа увидит программатор, а это должно произойти,
то активируется кнопка.
Жмем на кнопку Yes >>>> и ждем пока не появится уведомление о удачном обновлении.
Собственно все. Программатор работает. Осталась выпилить отверстия в корпусе и
напечатать этикетку. Вот что у меня получилось.
Данная статья, которая является еще одним "быстрым стартом" в освоении ARM-контроллеров, возможно поможет сделать первые шаги в освоении 32-битных контроллеров ARM на базе ядра Cortex-M3 - STM32F1xxx серии. Возможно данная статья (которых на эту тему появляется как грибов после дождя) станет для кого-то полезной.
Введение
Почему ARM?
1. Есть из чего выбрать (разными производителями сегодня выпускается более 240 ARM-контроллеров)
2. Низкая цена (например за 1$ можно получить 37хI / O, 16K Flash, 4K RAM, 2xUART, 10x12bitADC, 6x16bitPWM).
А начнем нашу работу с контроллеров фирмы ST Microelectronics. Контроллеры на основе ядра ARM Cortex-M3 характеризуются широким набором периферии, высоким уровнем рабочих характеристик, низкой цене
P.S. В самом начале создается впечатление, что ARM"ы это какие-то страшные (в пайке, разводке, программировании) существа. Но это только на первый взгляд:) и вы в этом сами убедитесь.
Итак, изучать ARMы будем на примере контроллеров STM32F1. Одновременно эта серия имеет несколько линеек:
- Value line STM32F100 - 24 МГц CPU, motor control, CEC.
- Access line STM32F101 - 36 МГц CPU, до 1 Mб Flash
- USB access line STM32F102 - 48 МГц CPU with USB FS
- Performance line STM32F103 - 72 МГц, до 1 Mб Flash, motor control, USB, CAN
- Connectivity line STM32F105/107 - 72 МГц CPU, Ethernet MAC, CAN, USB 2.0 OTG
Также существует следующая классификация:
Контроллеры STM32 можно заставить загружаться с 3-х областей памяти (в зависимости от состояния ножек BOOT0 и BOOT1 при старте контроллера или после его сброса). Записать программу в память контроллера можно следующими способами:
1 способ:
Используя загрузчик (он уже записан в системную память) и USART1
(USART2 remaped): использует внутренний тактовый сигнал 8 МГц. Чтобы запустить встроенный загрузчик, зашитый в контроллер производителем, достаточно просто бросить на лапки контроллера TX1, RX1 сигнал с преобразователя RS232-3.3В (например на базе FT232RL) и выставить перед этим BOOT0 = 1 и BOOT1 = 0 жмем RESET и можем шить программу в контроллер. А зашивается она в программе Flash Loader Demonstartor от STM (для Windows).
PS. Если вы сидите под LINUX и не имеете отладочной платы типа дискавери, можно заливать прошивку в контроллер через всеми любимый rs-232 (собственно - через преобразователь rs-232-3,3В). Для этого нужно использовать python-скрипт (Ivan A-R) (для LINUX или MACOSX).
Для начала у вас должен быть установлен Python 2.6 версии и библиотека для работы с последовательным портом - PySerial library.
Теперь, чтобы запустить скрипт stmloader.py (из терминала, разумеется) нужно его немного подправить под свой компьютер: откроем его в текстовом редакторе.
Набираем в командной строке
~$ dmesg | grep tty
чтобы увидеть все последовательные порты ПК.
и после набора...
~$ setserial -g /dev/ttyS
мы узнаем путь к нашему 232-му порту. Если система ругается на setserial, установим его
~$ sudo apt-get install setserial
мы узнаем путь к нашему физическому порту (например, у меня - /dev/ttyS0). Теперь нужно записать этот путь в файл скрипта stm32loader.py вместо дефолтного «/dev/tty.usbserial-...». Набираем в терминале
~$ python stm32loader.py -h
...для вызова справки и заливаем прошивку в наш контроллер.
2 способ:
Через USB
OTG, используя DFU-режим, требует внешнего кварца на 8 МГц, 14.7456 МГц или 25 МГц (этот загрузчик есть не у всех контроллерах с USB OTG надо внимательно смотреть на маркировку вашего контроллера)
3 способ:
JTAG/SWD.
Ну и для тех, кто имеет демоплату типа Discovery или самопальный JTAG/SWD программатор, можно заливать код и уже отлаживать свой микроконтроллер этим способом. Для JTAG в микроконтроллере отведено 6 лапок (TRST, TDI, TMS, TCK, TDO, RST) + 2 на питание. SWD использует 4 сигнала (SWDIO, SWCLK SWO, RESET) и 2 на питание.
PS. В среде EAGLE я набросал несколько схем-заготовок для 48-ми, 64-х и 100-ногих контроллеров (папка eagle), а stm32loader содержит скрипт stm32loader.py
