Vývojová doska STM32F0 (ARM Cortex M0) pod Linuxom

31.3.2013 16:15 | Přečteno: 4951× | Hardware | | poslední úprava: 25.6.2013 17:47

V dnešnom blogu si ukážeme prostriedky pre vývoj aplikácií na veľmi lacnej doske STM32F0 pod Linuxom. Nie som priaznivcom veľkých IDE, takže namiesto pohodlia IDE si zapatláme trochu ruky a pozrieme sa podrobnejšie na to aké nástroje sa používajú na najnižšej úrovni a ako medzi sebou spolupracujú.

Hardvér

Vývojová doska STM32F0 Discovery patrí k tomu najlacnejšiemu, čo na trhu pre vývoj ARM nájdeme. Do ceny približne 8€ sa okrem samotného balenia dostali:

• ARM Cortex M0 MCU so 64kB FLASH a 8kB RAM
• ST-LINK/V2 rozhranie pre programovanie a debugging
• 4 LED: napájanie (červená), komunikácia s PC (červená/zelená), zelená (PC9) a modrá (PC8)
• 2 tlačidlá: reset a user
• Prázdna prototypová doska

Z periférií tu nájdeme:

• USART
• I²C
• SPI
• HDMI

Podpora v Linuxe

Pre pripojenie k linuxu budeme potrebovať štandardný USB ovládač. O prácu so zariadením sa starajú utility v užívateľskom priestore. Po pripojení k linuxu by sa mal v dmesg objaviť výpis podobný tomuto:

usb 4-1: new full-speed USB device number 34 using uhci_hcd
usb 4-1: New USB device found, idVendor=0483, idProduct=3748
usb 4-1: New USB device strings: Mfr=1, Product=2, SerialNumber=3
usb 4-1: Product: STM32 STLink
usb 4-1: Manufacturer: STMicroelectronics
usb 4-1: SerialNumber: PÿoIwSU6V\xffffffc2\xffffff87

Aby bolo možné dosku používať musí užívateľ, ktorý spúšťa OpenOCD mať právo na čítanie a zápis zariadenia. V tomto prípade ide o zariadenie /dev/bus/usb/004/034. Na väčšine distribúcii bude pravdepodobne stačiť pridať užívateľa do skupiny usb. V prípade nedostatočných práv bude potrebné vytvoriť udev pravidlo v niektorom súbore v adresári /etc/udev/rules.d napr. /etc/udev/rules.d/41-arm.rules. Pravidlo pre nastavenie skupiny USB a práv vyzerá nasledovne:

ATTR{idVendor}=="0483", ATTR{idProduct}=="3748", GROUP="usb", MODE="0664"

Nástroje pre cross kompiláciu

Niektoré linuxové distribúcie majú v repozitároch pripravené nástroje pre kompiláciu ARM binárok. V názve balíkov pre ARM býva zvyčajne reťazec "arm-none-eabi". Tí menej menej mainstreamoví užívatelia budú musieť zvoliť niektorý z nasledujúcich spôsobov inštalácie, alebo ísť úplne vlastnou cestou

Inštalácia nástrojov z CodeBench

Na stránke MentorGraphics je možné stiahnuť SDK pre vývoj ARM aplikácií pod linuxom. Je dostupné v sekcii ARM processors (odkaz Download the GNU/Linux Release). Po stiahnutí stačí spustiť súbor ./arm-2012.09-63-arm-none-eabi.bin a odklikať sprievodcu tlačidlom next.

Kompilátor a zvyšné nástroje nájdeme po inštalácii v adresári INSTALL_PREFIX/­Sourcery_CodeBench_Lite_for_ARM_EABI/­bin. Tento adresár je vhodné pridať do premennej $PATH.

Kompilácia vlastných nástrojov pod Gentoo

V distribúcii Gentoo je možné skompilovať si vlastný cross kompilátor príkazom crossdev -t arm-none-eabi. Pre používateľov paludisu je situácia trochu komplikovanejšia. Najskôr je potrebné vytvoriť repozitár pre cross kompiláciu (súbor /­etc/­paludis/­repositories/­cross_overlay.conf).

master_repository = gentoo
format = e
location = /usr/local/cross_overlay/
names_cache = /var/cache/paludis/names
write_cache = /var/cache/paludis/metadata

Následne musíme vytvoriť adresárovú štruktúru overlaya:

mkdir -p /usr/local/cross_overlay/profiles/
echo "cross_overlay" > /usr/local/cross_overlay/profiles/repo_name
echo "cross-arm" >> /usr/local/cross_overlay/profiles/categories
mkdir -p /usr/local/cross_overlay/cross-arm/
ln -s /usr/portage/sys-devel/binutils /usr/local/cross_overlay/cross-arm/binutils
ln -s /usr/portage/sys-devel/gcc /usr/local/cross_overlay/cross-arm/gcc
ln -s /usr/portage/sys-libs/newlib /usr/local/cross_overlay/cross-arm/newlib
ln -s /usr/portage/sys-devel/gdb /usr/local/cross_overlay/cross-arm/gdb

Pred kompiláciou ešte musíme nastaviť správne premenné prostredia v /etc/paludis/bashrc

if [[ "${CATEGORY}" == "cross-arm" ]]
then
	CTARGET="arm-none-eabi"
	TARGET_CFLAGS="-mthumb -mcpu=cortex-m0 -mfloat-abi=soft -Wa,-mimplicit-it=thumb"

	EXTRA_ECONF="${EXTRA_ECONF} \
		--with-sysroot=/usr/${CTARGET} \
		--with-mode=thumb \
		--disable-multilib \
		--disable-interwork \
		--disable-nls \
		--disable-shared "

	if [[ "${PN}" == "gcc" ]]
	then
		EXTRA_ECONF="${EXTRA_ECONF} \
			--with-newlib \
			--disable-threads \
			--disable-checking \
			--disable-werror \
			--disable-libmudflap \
			--disable-libssp \
			--disable-libgomp \
			--disable-fortran \
			--with-float=soft \
			--with-dwarf2 \
			--enable-version-specific-runtime-libs \
			--with-cpu=cortex-m0"
		if [[ "${GCC_BOOTSTRAP}" == "1" ]]
		then
			EXTRA_ECONF="${EXTRA_ECONF} --enable-languages=c"
		else
			EXTRA_ECONF="${EXTRA_ECONF} --enable-languages=c,c++"
		fi
	fi

	if [[ "${PN}" == "newlib" ]]
	then
		EXTRA_ECONF="${EXTRA_ECONF} --disable-newlib-supplied-syscalls"
	fi


	if [[ "${PN}" != "gcc" && "${PN}" != "binutils" && "${PN}" != "newlib" ]]
	then
		CFLAGS="-Os ${TARGET_CFLAGS}"
	fi
fi

Balíky nainštalujeme nasledujúcimi príkazmi (pravdepodobne bude potrebné odmaskovať cross-arm/newlib):

cave resolve cross-arm/binutils -x
GCC_BOOTSTRAP=1 cave resolve cross-arm/gcc -x
cave resolve cross-arm/newlib -x
cave resolve cross-arm/gdb -x
cave resolve cross-arm/gcc -x

Ručná kompilácia nástrojov s inštaláciou do /opt

Nasledujúcich pár riadkov nainštaluje toolchain do /opt/arm (súbory binutils-2.23.2.tar.bz2, gcc-4.8.0.tar.bz2, gdb-7.5.tar.bz2 a newlib-2.0.0.tar.gz musia byť stiahnuté v pracovnom adresári).

tar -xvjf binutils-2.23.2.tar.bz2
tar -xvjf gcc-4.8.0.tar.bz2
tar -xvjf gdb-7.5.tar.bz2
tar -xvzf newlib-2.0.0.tar.gz

cd binutils-2.23.2
./configure --target=arm-none-eabi --with-sysroot=/opt/arm --prefix=/opt/arm --disable-multilib --disable-interwork --with-gnu-as --with-gnu-ld --disable-nls --disable-shared
make
sudo make install

cd ..
mkdir gcc-build
cd gcc-build
../gcc-4.8.0/configure --with-sysroot=/opt/arm --prefix=/opt/arm --build=x86_64-unknown-linux-gnu --host=x86_64-unknown-linux-gnu --target=arm-none-eabi --enable-languages=c -with-gnu-gcc --with-gnu-ld --with-gnu-as --with-newlib --disable-shared --enable-newlib --disable-multilib --disable-interwork --disable-threads --disable-nls --disable-checking --disable-werror --disable-libmudflap --disable-libssp --disable-libgomp --disable-fortran  --with-dwarf2 --enable-version-specific-runtime-libs --with-cpu=cortex-m0 --with-mode=thumb
make
make install

cd ../newlib-2.0.0
./configure --target=arm-none-eabi --with-sysroot=/opt/arm --prefix=/opt/arm --disable-multilib --disable-interwork --with-gnu-as --with-gnu-ld --disable-nls --disable-shared --with-mode=thumb --disable-newlib-supplied-syscalls
make
make install

cd ../gdb-7.5
./configure --target=arm-none-eabi --with-sysroot=/opt/arm --prefix=/opt/arm --disable-multilib --disable-interwork --with-gnu-as --with-gnu-ld --disable-nls --disable-shared --with-mode=thumb
make
make install

Open On-Chip Debugger

Pre komunikáciu s vývojovou doskou sa používa softvér s veľmi výstižným názvom Open On-Chip Debugger. Doska používa pomerne nové rozhranie ST-LINK/V2. Musí sa preto použiť verzia min 0.6.1 skompilovaná s flagom --enable-stlink (v gentoo je potrebné upraviť ebuild). Po inštalácii OpenOCD môžeme jeho funkčnosť vyskúšať príkazom openocd -f /­usr/­share/­openocd/­scripts/­board/­stm32f0discovery.cfg. Program openocd sa ukončuje štandardne klávesovou skratkou Ctrl+C.

Open On-Chip Debugger 0.6.1 (2013-03-28-21:42)
Licensed under GNU GPL v2
For bug reports, read
    http://openocd.sourceforge.net/doc/doxygen/bugs.html
adapter speed: 1000 kHz
srst_only separate srst_nogate srst_open_drain
Info : clock speed 1000 kHz
Info : stm32f0x.cpu: hardware has 4 breakpoints, 2 watchpoints

Ukážkový program

Na ukážku použitia nástrojov vytvoríme jednoduchý program, ktorý bude prepínať 2 LED na portoch PC8 a PC9. Program bude vytvorený pre lepšiu názornosť bez použitia knižníc.

Hlavný program

Hlavný program bude pracovať so vstupno výstupnými portmi (GPIO). Tie sú v prípade tejto vývojovej dosky namapované v pamäti od adresy 0x48000000. Doska má niekoľko GPIO, ktoré sú označené celými písmenami (A, B, C …). Jednotlivé porty sú mapované s offsetom 0x400 takže GPIO C bude mať offset 0x48000800.

Štruktúra registrov GPIO je v nasledujúcej tabuľke.

Názov	Popis	Offset
MODER	Režim pinu (2 bity pre každý pin): 00 - vstup, 01 - výstup, 10 - alternatívna funkcia, 11 - analógový režim	0x00
OTYPER	Typ výstupu: 0 - push-pull, 1 - otvorený kolektor	0x04
RESERVED0	Rezervované	0x06
OSPEEDR	Rýchlosť výstupu: X0 - 2 MHz, 01 - 10 MHz, 11 - 50 MHz	0x08
PUPDR	Pull up / pull down rezistor: 00 - žiaden, 01 - pull-up, 10 - pull-down, 11 - rezervované	0x0C
IDR	Aktuálny stav vstupov	0x10
RESERVED1	Rezervované	0x12
ODR	Zmena stavu výstupov	0x14
RESERVED2	Rezervované	0x16
BSRR	Nastavenie alebo vynulovanie výstupu, zápis bitu 1 do horných 16 bitov výstup nuluje, do dolných 16 bitov nastavuje	0x18
LCKR	Uzamknutie stavu registrov	0x1C
AFR	Alternatívna funkcia	0x20
BRR	Vynulovanie výstupu	0x28
RESERVED3	Rezervované	0x2A

Na základe tejto tabuľky môžme zostrojiť štruktúru GPIO_Type, pomocou ktorej sa bude dať pohodlne ovládať GPIO. Priamy prístup k pamäti sa dá získať pretypovaním adresy 0x48000000 na GPIO_Type *. Nasleduje kompletný výpis C programu, ktorý sa stará o prepínanie LED.

// blink.c

#include <stdint.h>

#define GPIO_BASE 0x48000000
#define GPIOC ((GPIO_Type*) (GPIO_BASE + 0x00000800))

typedef struct {               /*                     offset */
    volatile uint32_t MODER;   /* mode                 0x00  */
    volatile uint16_t OTYPER;  /* output type          0x04  */
    uint16_t RESERVED0;        /* reserved             0x06  */
    volatile uint32_t OSPEEDR; /* output speed         0x08  */
    volatile uint32_t PUPDR;   /* pull-up/pull-down    0x0C  */
    volatile uint16_t IDR;     /* input data           0x10  */
    uint16_t RESERVED1;        /* reserved             0x12  */
    volatile uint16_t ODR;     /* output data          0x14  */
    uint16_t RESERVED2;        /* reserved             0x16  */
    volatile uint32_t BSRR;    /* bit set / reset      0x18  */
    volatile uint32_t LCKR;    /* config lock          0x1C  */
    volatile uint32_t AFR[2];  /* alternate function   0x20  */
    volatile uint16_t BRR;     /* bit reset            0x28  */
    uint16_t RESERVED3;        /* reserved             0x2A  */
} GPIO_Type;

void delay(void)
{
    int i;
    for(i = 0; i < 1000000; ++i) {};
}

int mainprog(void)
{
    // Nastavenie pinov PC8 a PC9 do output režimu
    GPIOC->MODER = (1 << 16 | 1 << 18);
    // Nastavenie PC8 a PC9 do Push-pull režimu
    GPIOC->OTYPER  = ~(1 << 8 | 1 << 9);
    // Vypnutie pull-up a pull-down rezistoru pre PC8 a PC9
    GPIOC->PUPDR  = ~(3 << 16 | 3 << 18);
    for(;;) {
        // Vypnutie PC8 a zapnutie PC9
        GPIOC->BSRR = (1 << (16 + 8) | 1 << 9);
        delay();
        // Vypnutie PC9 a zapnutie PC8
        GPIOC->BSRR = (1 << (16 + 9) | 1 << 8);
        delay();
    }
    return 0;
}

Mapovanie pamäte

Operačná pamäť je mapovaná od adresy 0x20000000. Ak chceme spustiť náš program ako nerelokovateľný musíme definovať adresy, ktoré má linker používať pomocou skriptu memmap. Skript pre linkovanie programu do oblasti RAM vyzerá nasledovne:

/* memmap */

MEMORY
{
    ram : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 0x1000
}

SECTIONS
{
    .text : { *(.text*) } > ram
    .rodata : { *(.rodata*) } > ram
    .bss : { *(.bss*) } > ram
}

Okoreníme assemblerom

Náš program zámerne neobsahuje funkciu main. Pred spustením samotného programu musíme totiž nastaviť pozíciu stack pointra aby zásobník neprepisoval samotný program.

Nasledujúci kód nastaví najskôr zásobník. Ďalej povolí časovač GPIOC (ekvivalent volania RCC->AHBENR |= (1 << 19); v C pri použití knižnice). Nakoniec spustí hlavný program.

;@ vectors.s
;@-----------------------
.cpu cortex-m0
.thumb
;@-----------------------
.thumb_func
.global _start
_start:
    ldr r0,stacktop ;@ načítanie konštanty 0x20001000 do r0
    mov sp,r0       ;@ nastavenie stack pointra
;@-----------------------
gpioc_enable:       ;@ povolenie hodín GPIOC (RCC->AHBENR |= (1 << 19);)
    ldr r0,ahebnr   ;@ do r0 0x40021000 (RCC) + offst 0x14 (AHEBNR)
    ldr r0,[r0]     ;@ načítanie AHBENR
    ldr r1,ahebnrin ;@ 1<<19 do r1
    orr r1,r0,r1    ;@ r1 = (1<<19) | RCC->AHBENR
    ldr r0,ahebnr   ;@ adresa AHEBNR do R0
    str r1,[r0]     ;@ nastavenie AHEBNR
;@-----------------------
start_main:
    bl mainprog     ;@ zavolanie hlavného programu
    b hang          ;@ ukončenie programu
.thumb_func
hang:   b .
;@-----------------------
.align
stacktop: .word 0x20001000
ahebnr:   .word 0x40021014
ahebnrin: .word 0x00080000
;@-----------------------
.end
;@-----------------------

Makefile

Nasledujúci súbor po zadaní príkazu make skompiluje program do formy vhodnej pre upload do RAM. Pred spustením make musí byť kompilátor a linker v cestách definovaných premennou PATH.

ARCH = arm-none-eabi

AS = $(ARCH)-as
CC = $(ARCH)-gcc
LD = $(ARCH)-ld

OBJDUMP = $(ARCH)-objdump
OBJCOPY = $(ARCH)-objcopy

AFLAGS = --warn --fatal-warnings
CFLAGS = -Wall -O0 -nostdlib -nostartfiles -ffreestanding -g -ggdb

blink.thumb.bin: blink.thumb.list blink.thumb.elf
	$(OBJCOPY) blink.thumb.elf blink.thumb.bin -O binary

blink.thumb.list: blink.thumb.elf
	$(OBJDUMP) -D blink.thumb.elf > blink.thumb.list

blink.thumb.elf: memmap vectors.o blink.thumb.o
	$(LD) -o blink.thumb.elf -T memmap vectors.o blink.thumb.o

blink.thumb.o: blink.c
	$(CC) $(CFLAGS) -mthumb -c blink.c -o blink.thumb.o

vectors.o: vectors.s
	$(AS) $(AFLAGS) vectors.s -o vectors.o

clean:
	rm -f blink.thumb.bin
	rm -f blink.thumb.list
	rm -f blink.thumb.elf
	rm -f blink.thumb.o
	rm -f vectors.o

Spustenie aplikácie a jej ladenie

Na to aby sme mohli s doskou komunikovať musíme spustiť OpenOCD príkazom openocd -f /­usr/­share/­openocd/­scripts/­board/­stm32f0discovery.cfg. S OpenOCD môžme následne komunikovať cez telnet na porte 4444 príkazom telnet localhost 4444.

Spustenie

Pred nahraním sa musí program zastaviť príkazom halt. Nahrať program do RAM je možné príkazom load_image "/cesta/­k/­blink.thumb.elf". Program sa spúšťa príkazom resume 0x20000000.

> halt
target state: halted
target halted due to debug-request, current mode: Thread
xPSR: 0x01000000 pc: 0x20000022 msp: 0x20000fe8
> load_image "blink.thumb.elf"
144 bytes written at address 0x20000000
downloaded 144 bytes in 0.006462s (21.762 KiB/s)
> resume 0x20000000

Ladenie

Program OpenOCD automatiky pri spustení programu povolí jeho ladenie pomocou gdb a to na porte 3333. Gdb umožňuje nie len programy ladiť, ale aj nahrávať do pamäte MCU. Aby bolo ladenie pohodlnejšie napíšeme si najskôr skript pre gdb, ktorý uploadne program do MCU a nastaví break point na hlavnú funkciu.

# run.gdb
target remote localhost:3333
monitor reset halt
load
break mainprog

Program sa spustí príkazom arm-none-eabi-gdb --batch --command=run.gdb blink.thumb.elf. Zastaví sa na prvom riadku hlavnej funkcie a bude čakať na ďalšie príkazy gdb (napr. continue). Po tomto príkaze je možné spustiť rozhranie debuggeru napr. nemiver (nemiver --remote=localhost:3333 --gdb-binary=`which arm-none-eabi-gdb` blink.thumb.elf) a ladiť program priamo cez GUI. Nemiver bol však na mojom stroji príliš škaredý a nevošiel sa ani na monitor tak som tu hodil screenshot z QtCreatora .

Záver

Na vývoj aplikácii pre ARM som mal ešte zo školských čias a prostredia IAR zlé spomienky. Napriek tomu som neodolal vyskúšať si ARM na Linuxe a musím povedať, že je to úplne iný pocit. Prakticky všetko funguje tak ako má. Nie je potrebný žiaden neštandardný softvér okrem OpenOCD. Vyvíjať je tak možné v prakticky akomkoľvek IDE (alebo úplne bez IDE).

Vývojová doska STM32F0 Discovery poskytuje za lacný peniaz slušnú výbavu. Svojou cenou prekonáva arduino pričom ponúka skutočný 32-bitový procesor s množstvom periférií, ktoré sú rýchle vďaka použitiu DMA. Istou nevýhodou oproti arduinu je slabšia užívateľská základňa a s tým spojený aj menší počet knižníc.

---

Odkazy

• SDK pre vývoj ARM aplikácií
• Návod na debugovanie STM32F0-Discovery pomocou Nemiver
• Návod na debugovanie ARM
• Príklady pre STM32F0
• Šablóna pre tvorbu aplikácií a knižnice
• Návod na toolchain embedian
• Referenčný manuál k STM32F0

       

Obrázky

Komentáře

[mirec]

Příloha:

• blink.7z (1607 bytů)

V prílohe je demonštračný príklad z blogu.

[lukve]

klobuk dole, pekne napisany článok... mohol by si spraviť aj anglicku verziu a dať tu na abičko.

[mirec]

Diky, ale ja som ledva schopný niečo formulovať slovensky

[coder]

Pekny clanek. Mám rád tyhle story.

[Petr Tomášek]

binární blob? BLEEEEEEEE!

[Václav Vanc]

Kde? Jestli jsem to pochopil dobře, tak OpenOCD je opensource. A toolchain si můžeš zkompilovat sám. Nebo mi něco uniká? Jinak taky mám tudle destičku v šuplíku, když jsem jí kupoval, tak pod linuxem nebyla šance, musel jsem použít externí JTAG.

[lukves]

mirec poprosim ta ak mozes prilepit sem upraveny subor vectors.s aj s podporou pre GPIO A

sry assembler este na ARM neovladam aj ked chapem tie adresy ze port A zacina 000, PORT B potom + 400 a PORT C + 800

dakujem.

[mirec]

Pre aktiváciu GPIO A - C stačí prepísať konštantu ahebnrin na toto (sú to orované konštanty RCC_AHBENR_GPIOAEN, RCC_AHBENR_GPIOBEN a RCC_AHBENR_GPIOCEN zo súboru stm32f0xx.h):

ahebnrin: .word 0x001D0000

[lukve]

LED CUBE 5x5x5 SNAKE

 

http://pastebin.com/BJ1Ac6v1

[wwlado]

Diky, velmi si mi pomohol. Mam tu "destulku" a nevedel som ako na to.

Ako to ty doma vlastne programujes? Mas nejaky skrypt, ktory spustas v textovom editore? Teda kde pises program? Alebo za kazdym to tlacis do destulky cez konzolu?

S tymto kopilatorom nemam velmi skusenosti, ako to kompilujes? Pre AVR stci do policka "spustit skrypt" v editore napisat "avra %f" ale myslim, ze v tomto kopileri je nutne dodat parametre pre druh procesora.