Day11：搭建 STM32 开发环境

Day11：搭建 STM32 开发环境

前言

大家已经学完了 C语言编程入门（电赛入门的前半部分）的内容，今天开始老师将带领大家在 充电宝团队自治的 “电赛 STM32 学习板” 上深入浅出的了解单片机的基础和领略 STM32 的妙用。

小贴士

总所周知，计算机由硬件（外设，中央处理器，存储器等）和软件（操作系统，应用程序）组成。

单片机（单片微型计算机，Single-Chip Microcomputer），又称微控制器（Microcontroller）。

是把中央处理器、存储器、定时/计数器（Timer/Counter）、各种输入输出接口等都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。

8051是一种8位元的单芯片微控制器，属于MCS-51单芯片的一种，由英特尔公司于 1981 年制造。

STM32系列芯片由ST公司基于ARM公司的Cortex-M3内核开发的 32 位微控制器（MCU）。

为什么学习STM32
可以发现，在嵌入式领域STM32芯片介于低端和高端之间，它相对于普通的8/16位机有更多的片上外设，更先进的内核架构，可以运行μC/OS等实时操作系统，相对于可运行Linux 操作系统的高端CPU，其成本低，实时性强。这个定位使得STM32不仅占领了大部分中端控制器的市场，更是成为提升开发者技术的优良过渡平台，为后续的学习打下坚实的基础。

如何学习STM32
为STM32的开发方式较普通的单片机开发还是有很大的不同，所以学习时要注意如下几点
（1）转变思维，适应使用固件库的开发方式，加强运用C语言的能力，建立工程意识。
（2）熟悉Cortex-M系列芯片架构，了解CMSIS标准，熟悉STM32的总线架构。
（3）掌握IC、SPI、SDIO、CAN、TCP/IP等各种通信协议，掌握了这些协议，开发软件驱动对容易了。

好了，开始我们今天的任务熟悉STM32的开发环境和工程模板。

1. STM32 开发前的常识

STM32系列芯片由ST公司基于 ARM 公司的 Cortex-M3 内核开发的 32 位微控制器（MCU）

STM32按内核架构分为不同产品，其中 STM32F1 系列有：

STM32F101“基本型”系列

STM32F103“增强型”系列

STM32F105、STM32F107“互联型”系列

电赛学习板上使用的是 STM32F103RBT6 64管脚的单片机

ST(意法半导体)为了方便用户开发程序，提供了一套丰富的 STM32 固件库。

到底什么是固件库？它与直接操作寄存器开发有什么区别和联系？很多初学者很是费解，这里我们简单了解一下 STM32 固件库相关的基础知识，希望能够让大家对 STM32 固件库有一个初步的了解，至于固件库的详细使用方法，我们会在后面的章节一一介绍。

这章节有一些图片是截图的权威手册。这一节的知识可以参考《STM32 固件库使用手册中文翻译版》 P32，固件库手册讲解更加详细，这里只是提到一下，希望大家谅解。官方包的地址：软件资料\STM32 固件库使用参考资料\ STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0  

STM32F10x 标准外设库是一个固件函数包，它由程序、数据结构和宏组成，包括了微控制器所有外设的性能特征。该函数库还包括每一个外设的驱动描述和应用实例。通过使用本固件函数库，无需深入掌握细节，用户也可以轻松应用每一个外设。因此，使用本固态函数库可以大大减少用户的程序编写时间，进而降低开发成本。

每个外设驱动都由一组函数组成，这组函数覆盖了该外设所有功能。每个器件的开发都由一个通用 API(Application Programming Interface应用编程界面)驱动，API 对该驱动程序的结构，函数和参数名称都进行了标准化。

小贴士

任何处理器，不管它有多么的高级，归根结底都是要对处理器的寄存器进行操作。但是固件库不是万能的，您如果想要把 STM32 学透，光读 STM32 固件库是远远不够的。你还是要了解一下 STM32 的原理，而这些原理了解了，你在进行固件库开发过程中才可能得心应手游刃有余。  

固件库与CMSIS

前面我们讲到， STM32 固件库就是函数的集合，那么对这些函数有什么要求呢？？这里就涉及到一个 CMSIS 标准的基础知识，这部分知识可以从《Cortex-M3 权威指南》中了解到，我们这里只是对权威指南的讲解做个概括性的介绍。

经常有人问到 STM32 和 ARM 以及 ARM7 是什么关系这样的问题，其实 ARM 是一个做芯片标准的公司，它负责的是芯片内核的架构设计，而 TI， ST 这样的公司，他们并不做标准，他们是芯片公司，他们是根据 ARM 公司提供的芯片内核标准设计自己的芯片。

所以，任何一个做 Cortex-M3 芯片，他们的内核结构都是一样的，不同的是他们的存储器容量， 片上外设， IO 以及其他模块的区别。所以你会发现，不同公司设计的 Cortex-M3 芯片他们的端口数量，串口数量，控制方法这些都是有区别的， 这些资源他们可以根据自己的需求理念来设计。同一家公司设计的多种 Cortex-m3 内核芯片的片上外设也会有很大的区别，比如 STM32F103RBT 和 STM32F103ZET，他们的片上外设就有很大的区别。我们可以通过《Cortex-M3 权威指南》中的一个图来了解一下：  

从上图可以看出，芯片虽然是芯片公司设计，但是内核却要服从 ARM 公司提出的 Cortex-M3内核标准了，理所当然，芯片公司每卖出一片芯片，需要向 ARM 公司交一定的专利费。  

既然大家都使用的是 Cortex-M3 核，也就是说，本质上大家都是一样的，这样 ARM 公司为了能让不同的芯片公司生产的 Cortex-M3 芯片能在软件上基本兼容，和芯片生产商共同提出了一套标准 CMSIS 标准(Cortex Microcontroller Software Interface Standard) ,翻译过来是“ARM Cortex™ 微控制器软件接口标准”。 ST 官方库就是根据这套标准设计的。这里我们又要引用参考资料里面的图片来看看基于 CMSIS 应用程序基本结构：  

如图2所示，基于CMSIS标准的软件架构主要分为以下4层：用户应用层、操作系统及中间件接口层、CMSIS层、硬件寄存器层。

CMSIS层起着承上启下的作用

一方面该层对硬件寄存器层进行统一实现，屏蔽了不同厂商对 Cortex-M系列微处理器核内外设寄存器的不同定义；

另一方面又向上层的操作系统及中间件接口层和应用层提供接口，简化了应用程 序开发难度，使开发人员 能够在完全透明的情况下进行应用程序开发。

2. 学习资料下载及熟悉

电赛学习板的学习资料在百度网盘和CSDN中都可以下载

解压后的内容

硬件资料

1. 主要有电赛学习板的原理图
2. 电赛学习板上各芯片的参考手册

学习资料

工具软件

工程模板

STM32 在 Keil5 上使用的工程配置

官方例程

主要是 ST 公司出的 STM32 固件库 V3.5 的原始资料

3. Keil5 的 安装和注册

1. 在 [工具软件] 下找到 [MDK~Keil5]

2. 双击 [mdk515.exe]，开始安装，选择 [next]。  

3. 选择 [ I agree to all the terms ...] ，点击 [next]

   

   4. 选择安装路径，路径不能带中文，点击 [next]  

      

小贴士

1、安装路径不能带中文，必须是英文路径
2、安装目录不能跟 51 的 KEIL 或者 KEIL4 冲突，三者目录必须分开
3、KEIL5 的安装比起 KEIL4 多了一个步骤，必须添加 MCU 库，不然没法使用。
4、如果使用的时候出现莫名其妙的错误，先百度查找解决方法。  

6. 填写用户信息，全部填空格即可，点击 [next]

7. Finish，安装完成。

8. KEIL5 不像 KEIL4 那样自带了很多厂商的 MCU 型号，KEIL5 需要自己安装。把下面弹出的界面关掉，我们直接去 keil 的官网下载：http://www.keil.com/dd2/pack/，或者直接用我们下载好的包 [Keil.STM32F1xx_DFP.2.1.0.pack]。  

9. 把下载好的包双击安装即可，安装路径选择跟 KEIL5 一样的安装路径，安装成功之后，在 KEIL5 的 Pack Installer 中就可以看到我们安装的三个包，以后我们新建工程的时候，就有单片机的型号可选。  这里我只下载目前教程需要使用的 F1 系列的包。  

10. 通过 KEIL5 的快捷方式打开Keil，选择 [File] > [License Management] 复制 CID  （记得复制你自己电脑上的，别复制图片上的）

11. 在 [MDK~Keil5] 下找到 [注册.exe] 打开注册机，把刚刚复制的 CID 粘贴到注册机的 CID 框处；

    

12. Target 选择 ARM，然后点击 Generate，复制注册机生成的 License ID Code ;

13. 回到 KEIL5，[File] > [License Management] ，把刚刚从注册机复制到的 License ID Code粘贴到 New License ID Code(LIC)框处，点击 Add LIC。搞定，破解成功。  

    

小贴士：

这个操作步骤确实有点儿长，但是所幸大家只需要操作一次就好，后续我们就直接用它来写程序就行，希望大家多点儿耐心和细心，把它完成

4. 工程模板的介绍和使用

在 [工具软件] 中找到 [MDK~Keil5] 下的 [EmptyPro] 工程

在 EmptyPro 录下建立以下几个目录

（1）CMSIS目录：官方库 [STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0\Libraries\CMSIS] 下的源码；

（2）Devices目录：后续做项目需要用到的设备文件夹（暂时没用）；

（3）FWlib目录 ：官方库 [STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0\Libraries\STM32F10x_StdPeriph_Driver] 下的源码；

（4）List目录：用于存放keil生成的list文件。于存放keil开发环境的工程文件，工程文件位置所在；

（5）Output目录：用于存放编译过程中生成的 16 进制文件，用于下载烧写程序到开发板上；

（6）Project目录：STM32工程文件的位置，平时就是从这里打开工程的；

（7）Startup目录：用于存放STM32处理器的启动引导代码。

（8）System目录：基础但最常用的代码 如 printf() 函数的重定向，延时函数，中断分组等。

（9）User目录：用于存放工程中主要的用户代码，如 main.c。

User 目录下 大家可以看到我们最熟悉的 C 语言的 main()，对就是这里，接下来我们的主要操作也是在这里完成

System 文件夹下的内容简述

delay 文件夹内包含了 delay.c 和 delay.h 两个文件，这两个文件用来实现系统的延时功能，其中包含 3 个函数（这里我们不讲 SysTick_Handler 函数，该函数在讲 ucos 的时候再介绍）：  

void delay_init(u8 SYSCLK);     // 延时函数的初始化：例如
void delay_ms(u16 nms);         // 毫秒级延时函数
void delay_us(u32 nus);         // 微秒级延时函数

sys 文件夹内包含了 sys.c 和 sys.h 两个文件。在 sys.h 里面定义了 STM32 的 IO 口输入读取宏定义和输出宏定义。 sys.c 里面只定义了一个中断分组函数。下面我们将分别向大家介绍  。

该部分代码在 sys.h 文件中，实现对 STM32 各个 IO 口的位操作，包括读入和输出。当然在这些函数调用之前，必须先进行 IO 口时钟的使能和 IO 口功能定义。此部分仅仅对IO 口进行输入输出读取和控制。   

位带操作简单的说， 就是把每个比特膨胀为一个 32 位的字，当访问这些字的时候就达到了访问比特的目的，比如说 BSRR 寄存器有 32 个位，那么可以映射到 32 个地址上，我们去访问这 32 个地址就达到访问 32 个比特的目的。 这样我们往某个地址写 1 就达到往对应比特位写 1 的目的，同样往某个地址写 0 就达到往对应的比特位写 0 的目的。  

usart 文件夹内包含了 usart.c 和 usart.h 两个文件。这两个文件用于串口的初始化和中  断接收。这里只是针对串口 1，比如你要用串口 2 或者其他的串口，只要对代码稍作修改就可以了。

usart.c 里面包含了 2 个函数：

void uart_init(u32 bound);          /// 串口1的初始化函数
void usart1_IRQHandler(void);       /// 串口1中断服务函数

这段引入 printf 函数支持的代码在 usart.h 头文件的最上方，这段代码加入之后便可以通过 printf 函数向串口发送我们需要的内容，方便开发过程中查看代码执行情况以及一些变量值。这段代码不需要修改，引入到 usart.h 即可。  

小贴士：这里我把操作简化了一些，后续我们就在这个工程上完成操作，具体创建空工程的操作很复杂，有兴趣的同学可以看文章 【Keil 创建空工程】

5. 下载程序到开发板

1. 在 [工具软件] 中找到CH341串口驱动

   

2. 双击CH341SER.EXE，点击安装串口驱动

   

3. 安装完成后，使用USB线，将你的电脑和电赛学习板链接在一起，如下图所示：

   

4. 右击 [此电脑] > [管理]，选择 [设备管理器] , 查看识别的端口号，每个人电脑识别的可能不一样，例如：我的电脑是COM3

   

5. 在  [工具软件]  中找到 STM下载器ISP；

   

6. 双击打开 mcuisp.exe ,可以看到Port为COM3，如果没有点击搜索串口

   

7. 点击 选项，选择 [EmptyPro] 中的 [Output] 目录下的 [Empty.hex] 文件

   

8. 点击 [开始编程] 按钮，开始下载程序

   

9. 等待进度条结束，下载完成，在开发板上按下复位按键（S2），即可以查看学习板上的状态了

   

小贴士：除了通过串口下载程序，也可以通过 JTAG 下载，操作比较复杂，具体见文档[ 通过 J-link 下载程序]

6. 今天练习

1. 安装 RealView MDK 软件开发环境；
2. 下载并运行程序，注意观看现象。
3. 熟悉工程模板 EmptyPro 的代码；