在Linux下玩转STM32

1、准备环境

1.1 硬件环境

• STM32F103C6T6最小系统板一块：
  • 为何是STM32F103C6T6：因为这大概是某宝上能找到的最便宜的STM32最小系统！ 虽然有比它更便宜的裸片型号，但做成最小系统或者开发板之后，价格就变得很吓人！ 焊工不好的人不宜直接焊裸片，钱包不鼓的人买不起贵价板，最佳选择就不言而喻了！
  • 原理图：可自行向卖家索要，此处不展示。
  • 实物图（若显示不清，可右击，在新标签页打开，放大观看， 下同）：
    
• USB转TTL串口模块一个（附带杜邦线），可用于：
  • 烧录用户程序。
  • 串口编程。
  • 实物图：
    
• ST-Link一个（附带杜邦线），可用于：
  • 烧录用户程序。
  • 调试用户程序。
  • 实物图：
    
• 其余外设：按个人学习或项目需要自行补充。

1.2 软件环境

• 操作系统：Ubuntu 22.04。

• 开源集成开发环境（IDE）：STM32CubeIDE。可点击此链接进行下载。 若页面失效，则可到ST官网首页输入STM32CubeIDE搜索得到链接后再下载。安装示例：

    $ unzip en.st-stm32cubeide_1.12.1_16088_20230420_1057_amd64.deb_bundle.sh.zip
    $ sudo sh st-stm32cubeide_1.12.1_16088_20230420_1057_amd64.deb_bundle.sh
  

• 开源交叉编译器：arm-none-eabi-gcc。安装命令如下：

    $ sudo apt install gcc-arm-none-eabi
  

• 开源烧录工具：stm32flash。安装命令如下：

    $ sudo apt install stm32flash
  

• 开源调试工具：openocd。安装命令如下：

    $ sudo apt install openocd
  

2、热身：烧录一个现成的测试程序（例如卖家提供的配套测试程序）

2.1 通过USB转TTL串口

• 将BOOT0（STM32实物图上面第一排黄色排针）向右接1， BOOT1（第二排黄色排针）向左接0。

• 将A9接RXD（见USB转TTL串口实物图）、A10接TXD， GND和VCC也分别接好。

• 测试一下连接是否正常：

    $ lsmod | grep usbserial
    usbserial              45056  3 ch341
    $
    $ dmesg | grep ttyUSB
    [  890.175796] usb 1-11: ch341-uart converter now attached to ttyUSB0
    $
    $ stm32flash /dev/ttyUSB0
    stm32flash 0.5
  
    http://stm32flash.sourceforge.net/
  
    Interface serial_posix: 57600 8E1
    Version      : 0x22
    Option 1     : 0x00
    Option 2     : 0x00
    Device ID    : 0x0412 (STM32F10xxx Low-density)
    - RAM        : Up to 10KiB  (512b reserved by bootloader)
    - Flash      : Up to 32KiB (size first sector: 4x1024)
    - Option RAM : 16b
    - System RAM : 2KiB
  
  

• 烧程序：

    $ stm32flash -w /path/to/hex_file.hex -v -g 0x0 /dev/ttyUSB0
    stm32flash 0.5
  
    http://stm32flash.sourceforge.net/
  
    Using Parser : Intel HEX
    Interface serial_posix: 57600 8E1
    Version      : 0x22
    Option 1     : 0x00
    Option 2     : 0x00
    Device ID    : 0x0412 (STM32F10xxx Low-density)
    - RAM        : Up to 10KiB  (512b reserved by bootloader)
    - Flash      : Up to 32KiB (size first sector: 4x1024)
    - Option RAM : 16b
    - System RAM : 2KiB
    Write to memory
    Erasing memory
    Wrote and verified address 0x08000698 (100.00%) Done.
  
    Starting execution at address 0x08000000... done.
  
  

  若干注意事项：

  • 以上命令的效果是：
    • 若是MDK（Keil）生成的.hex文件，烧完即可立刻运行，不需改接BOOT0和BOOT1。
    • 若是STM32CubeIDE生成的.hex文件，需断电，将BOOT1接加0，再上电， 才能运行（很不方便，所以推荐后面的SWD烧录），原因待确定。
  • 要进行下一次的烧录：
    • 若是MDK（Keil）生成的.hex文件，必须先进行一次复位（按下核心板的复位键）， 否则会产生Failed to init device的错误。
    • 若是STM32CubeIDE生成的.hex文件，可以直接烧。
  • 若想将核心板恢复正常的启动模式，即从程序闪存（Flash）启动， 则需将BOOT0和BOOT1均接1。

2.2 通过串行调试（SWD，Serial Wire Debug）接口（推荐）

• 将核心板的BOOT0（STM32实物图上面第一排黄色排针）、BOOT1（第二排黄色排针）均向左接0。

• 核心板右端的四条排针从上到下依次是GND、SWCLK、SWDIO、3.3V， 将它们一一接上ST-Link即可。

• 烧程序：

    $ openocd -f /usr/share/openocd/scripts/interface/stlink.cfg \
        -f /usr/share/openocd/scripts/target/stm32f1x.cfg \
        -c init -c "reset halt" -c wait_halt \
        -c "flash write_image erase /path/to/bin_file.bin 0x08000000" \
        -c reset -c shutdown
    Open On-Chip Debugger 0.11.0
    Licensed under GNU GPL v2
    For bug reports, read
        http://openocd.org/doc/doxygen/bugs.html
    Info : auto-selecting first available session transport "hla_swd". To override use 'transport select <transport>'.
    Info : The selected transport took over low-level target control. The results might differ compared to plain JTAG/SWD
    Info : clock speed 1000 kHz
    Info : STLINK V2J39S7 (API v2) VID:PID 0483:3748
    Info : Target voltage: 3.277540
    Info : stm32f1x.cpu: hardware has 6 breakpoints, 4 watchpoints
    Info : starting gdb server for stm32f1x.cpu on 3333
    Info : Listening on port 3333 for gdb connections
    target halted due to debug-request, current mode: Thread
    xPSR: 0x01000000 pc: 0x08000264 msp: 0x20002800
    Info : device id = 0x10006412
    Info : flash size = 32kbytes
    auto erase enabled
    wrote 3072 bytes from file /path/to/bin_file.bin in 0.232478s (12.904 KiB/s)
  
    shutdown command invoked
  

• 若干注意事项：
  • 以上命令的效果是：烧完即可立刻运行，不需改接BOOT0和BOOT1， 也不需要手动复位（已通过-c reset进行复位）。
  • -f选项用于指定接口配置文件和目标芯片配置文件。若不知道OpenOCD的配置根目录， 可执行whereis openocd查看。
  • -c选项用于指定待执行的命令，可指定多个。若不指定任何命令，则会启动调试服务， 其中3333为GDB监听端口、4444为Telnet监听端口、6666为Tcl监听端口， 此时需要另开一个窗口执行telnet localhost 4444来进行交互式操作， 以便进行程序烧录、调试等。
  • -c "reset halt" -c wait_halt很重要，若按网上很多文章仅输入-c halt，则再次烧录时会报错：

      Error: timeout waiting for algorithm, a target reset is recommended
      Error: flash write failed at address 0x8000000
      Error: error writing to flash at address 0x08000000 at offset 0x00000000
    

  • -c shutdown也是必需的，用于退出调试服务（因为只是一次性烧录过程， 不是持久的调试过程），否则只能按Ctrl+C来手动退出了。
  • OpenOCD是一个很强大的调试器，更详细的用法可查阅其官方用户手册HTML版 或PDF版。若链接失效， 则可点击此处查看备份文档。

3、进入正题：编写一个电子界的黑佬窝（Hello World）程序

即驱动一个LED令其持续闪烁。步骤如下：

• 打开STM32CubeIDE，新建一个名为led_blinks的项目， 创建及配置过程在此不再赘述（网上多的是教程，在此提供其中一个）， 仅强调重点如下：
  • 将C13引脚配置成输出引脚（核心板在C13引脚接了一个LED）。
  • 需要考虑采用HAL库还是LL库。
  • 需要生成.hex和.bin文件以用于烧录。
  • 分别以调试（Debug）模式和发布（Release）模式编译一次， 以便生成必要的目录和编译脚本供后面使用。

• 配置完毕并保存之后，会生成相应的代码，可以在此基础上添加自己的业务逻辑， 一般是在main.c文件的main函数的while循环里。对于本例，则有：

  • while循环上下文：

      /* 省略部分内容 */
    
      /* Initialize all configured peripherals */
      MX_GPIO_Init();
      /* USER CODE BEGIN 2 */
    
      /* USER CODE END 2 */
    
      /* Infinite loop */
      /* USER CODE BEGIN WHILE */
      while (1)
      {
    

       /* 在此处添加 */

          /* USER CODE END WHILE */
    
          /* USER CODE BEGIN 3 */
      }
      /* USER CODE END 3 */
    
      /* 省略部分内容 */
    

  • 若是采用LL（Low Layer，底层）库，则添加：

      LL_mDelay(1000); /* 延时值可自行决定，单位是毫秒，下同 */
      LL_GPIO_TogglePin(GPIOC, LL_GPIO_PIN_13);
    

  • 若是采用HAL（Hardware Abstraction Layer，硬件抽象层）库，则添加：

      HAL_Delay(1000);
      HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
    

• 编译、烧录、调试/运行，后两者可参考前文。需要注意的是，STM32CubeIDE也有调试界面， 但也是基于OpenOCD或GDB，所以不如一步到位，直接在命令行使用OpenOCD或GDB， 一次学习，长期受用，不必像忍受IDE界面的频繁变更。

4、进阶技巧：打造一个双全型项目架构

所谓的双全，是指既支持图形化集成开发环境（IDE），又支持字符型命令行接口。 开发者可根据自己的偏好，在全流程或部分环节中，既可以选择在IDE下进行编写、编译、调试/运行等操作， 也可以选择使用命令行来完成这些操作。此举既可充分发挥集成开发环境和命令行各自的优势， 也能同时迎合两派开发者的需求，减少两派的纷争。下表简要对比命令行和集成开发环境的特点：

对比项	命令行	集成开发环境
运行速度	快，不需过多解释。	慢，耗内存，对老旧电脑不友好。
上手速度	慢，需要一定基础。	快，图形化傻瓜式操作。
接口稳定性	非常稳定，因为 基础命令万年不变。	不稳定，版本升级后， 菜单项内容及位置变化较大。
与第三方的集成	容易，得益于成熟通用 的Shell粘合机制。	困难，因为各个IDE之间不互通， 虽然主流IDE支持插件， 但插件的开发仍有一定门槛。
自身的可扩展性	脚本透明，容易扩展。	源码封闭或庞大， 非原始团队难以扩展。
风格的一致性	与一般Linux应用项目 在形式上较为一致。	各有各的风格，难以统一。

下面将以前面的黑佬窝项目为基础，介绍打造这样一个架构所需的重点步骤。

4.1 创建用户目录及文件

• 在STM32CubeIDE左侧窗格，对着led_blinks项目图标右击，依次选择New、Source Folder， 并在弹出的对话框输入目录名称User，最后点击Finish按钮，即可创建用户目录。 此目录用于存放用户代码，不会在每次修改配置、IDE生成代码时覆盖掉。

• 右击User目录，选择Add/remove include path...，再在弹出的对话框点击OK按钮， 将此目录加入编译器可搜索的头文件目录列表，相当于利用GCC的-I选项指定此目录。

• 右击User目录，依次选择New、Header File，并在弹出的对话框输入头文件名称biz.h， 最后点击Finish按钮，即可创建头文件，并加入以下内容：

    #include "stm32f1xx.h"
  
    void led_blinks(uint32_t interval_ms);
  

• 右击User目录，依次选择New、Source File，并在弹出的对话框输入源文件名称biz.c， 最后点击Finish按钮，即可创建源文件，并加入以下内容：

    #include "biz.h"
  
    #ifdef USE_FULL_LL_DRIVER
    #include "stm32f1xx_ll_utils.h"
    #include "stm32f1xx_ll_gpio.h"
    #else
    #include "stm32f1xx_hal.h"
    #include "stm32f1xx_hal_gpio.h"
    #endif
  
    void led_blinks(uint32_t interval_ms)
    {
    #ifdef USE_FULL_LL_DRIVER
        LL_mDelay(interval_ms);
        LL_GPIO_TogglePin(GPIOC, LL_GPIO_PIN_13);
    #else
        HAL_Delay(interval_ms);
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
    #endif
    }
  

4.2 修改主函数的循环业务逻辑

• 将前面在main.c里添加的内容替换成以下语句即可：

    led_blinks(1000);
  

4.3 增加顶层Makefile

可以从头编写一个类似普通Linux应用程序的Makefile用于STM32项目中， 但不推荐这样做，原因如下：

• STM32CubeIDE的编译也是基于Makefile，并且其生成的Makefile也可在命令行使用， 再重复造轮子毫无意义。

• 若因为业务配置或IDE的版本更新而导致编译参数变化，此Makefile也要同步变更， 徒增工作量，也容易出问题。

所以，推荐的做法应该是，在项目根目录下创建的Makefile以调用各个子目录Makefile为主， 同时增加一些额外有用的操作，例如：

• 在不改项目参数的情况下，有选择性地或同时地编译出不同模式的程序。

• 多种烧录方式，比如烧到闪存（Flash）、内存（SRAM）等。

• 生成命令党所用的编辑器的代码浏览配置。

• 其他……

该Makefile具体实现详见懒编程秘笈项目的makefile/stm32_cube_ide.mk。 可将其复制或链接到你的STM32项目的根目录，并重命名为Makefile，其用法在此不再赘述， 直接查看其内容即可了解，因其非常简单明了。

4.4 在该架构下如何协同工作

• 若一个项目由命令党和IDE党共同维护，则在日常的代码编写、编译、烧录、调试/运行等操作中， 两派可各行其是，互不干扰，但需要注意的是，在新增或删除源码目录及文件时，则必须用IDE操作。 若使用命令行操作，则相关的变更不会同步到IDE的配置。

• 该架构暂时只适用于Unix/Linux党，因为Windows版的STM32CubeIDE未测试过， 其生成的Makefile里某些编译参数（尤其是路径）可能与前述的脚本不兼容。

5、进阶技巧：将程序烧进内存

5.1 背景及动机

• 闪存（Flash）是有擦写寿命的，如果在日常开发中，不管多细小的改动， 每次均烧写一次闪存，其寿命将会很快耗尽，增加硬件成本。

• 内存（SRAM）则不存在这个问题，但内存通常容量很小， 所以这个技巧只适用于小程序。

5.2 方法及步骤

• 找出并修改Core/Src/system_stm32f1xx.c以下内容（按手动加入的中文注释的提示操作）：

    /* Note: Following vector table addresses must be defined in line with linker
             configuration. */
    /*!< Uncomment the following line if you need to relocate the vector table
         anywhere in Flash or Sram, else the vector table is kept at the automatic
         remap of boot address selected */
    /* #define USER_VECT_TAB_ADDRESS */ /* 要烧进内存则将此行注释变成代码，否则保持注释状态 */
  
    #if defined(USER_VECT_TAB_ADDRESS)
    /*!< Uncomment the following line if you need to relocate your vector Table
         in Sram else user remap will be done in Flash. */
    /* #define VECT_TAB_SRAM */ /* 要烧进内存则将此行注释变成代码，否则保持注释状态 */
    #if defined(VECT_TAB_SRAM)
    #define VECT_TAB_BASE_ADDRESS   SRAM_BASE       /*!< Vector Table base address field.
                                                         This value must be a multiple of 0x200. */
    #define VECT_TAB_OFFSET         0x00000000U     /*!< Vector Table base offset field.
                                                         This value must be a multiple of 0x200. */
    #else
    #define VECT_TAB_BASE_ADDRESS   FLASH_BASE      /*!< Vector Table base address field.
                                                         This value must be a multiple of 0x200. */
    #define VECT_TAB_OFFSET         0x00000000U     /*!< Vector Table base offset field.
                                                         This value must be a multiple of 0x200. */
    #endif /* VECT_TAB_SRAM */
    #endif /* USER_VECT_TAB_ADDRESS */
  

• 将STM32F103C6TX_FLASH.ld复制两份，一份重命名为STM32F103C6TX_ON_FLASH.ld， 另一份则重命名为STM32F103C6TX_ON_RAM.ld，并将后面这份的所有>FLASH和>RAM AT> FLASH 均改成>RAM。需要说明的是，网上很多文章的做法是将MEMORY区块里的RAM和FLASH设置项 调换顺序并重新映射地址，亦即将原本的内存一分为二，一部分伪装成原本的闪存， 另一部分则继续作为内存使用——个人觉得这种做法不太好，因为每部分应该划多大区域不好确定， 可能不同的项目有不同的需求，还不如作为一个整体来用，将链接脚本里所有的段都加载到内存。

• 在正式发布程序时，需要先用STM32F103C6TX_ON_FLASH.ld覆盖STM32F103C6TX_FLASH.ld，再编译。 而在日常开发和测试中，则先用STM32F103C6TX_ON_RAM.ld覆盖STM32F103C6TX_FLASH.ld，再编译。 至于烧录方式，两者几乎一样，为简明起见，具体操作方式见后文。

• 前述源码文件的修改和链接脚本的切换，可以写进Makefile， 详见懒编程秘笈项目 makefile/stm32f1x_private.mk文件的flash_as_storage和ram_as_storage目标， 使用时也要将该文件复制或链接到项目根目录下，切换命令则是make flash_as_storage和make ram_as_storage。 注意每次切换之后，都要重新make一次。至于烧录，则分别是make burn_to_flash和make burn_to_ram， 对这两个命令的具体内容感兴趣的，可自行查看相关的Makefile，其实就是将前文OpenOCD烧录命令稍作修改， 此处不再详述。

• 验证方法：仍以前面的黑佬窝项目为例，先将led_blinks(1000);逻辑烧进闪存， 再将led_blinks(5000);逻辑烧进内存，此时LED应以5秒的时间间隔闪烁，按下复位键或断电再上电， 如果LED重新以1秒的时间间隔闪烁，就说明烧录闪存和烧录内存都成功了。