搭建基於 STM32 和 rt-thread 的開發平臺

我們需要平臺

如果說，SharePoint 的價值之一在於提供了幾乎開箱即用的 innovation 環境，那麼，智能設備的開發平臺也一樣。不必每次都從頭開始，所以需要固定的工作室和開發平臺作爲創新的起點，這樣就會每次比從零開始“高一點點”。

當然，這裏不是沒有糾結的。平臺畢竟不是最終的產品，平臺太弱固然難以支撐創新，但平臺太強則臃腫和僵化同樣也會限制創新：面對成百上千的類型、接口的時候，即使做一個小玩意兒也要學上一年半載，任何人都會畏懼的。有那個時間，不如自己寫一個出來了。所以成功的開發平臺如 jQuey 和 jQuery UI 是拆開的，Bootstrap 是可以按模塊自定義下載的。

 

與 SharePoint 在企業協作領域的一家獨大不同，智能控制設備的平臺可謂五花八門，這就有點兒像 python 世界的 web framework。看似很繁榮，但是缺少標準，哪個都難以讓人下決心深入鑽研（貌似現在有往 django 靠攏的趨勢，這是件好事）。所以，在試過了網上各種開發板以後，Jony 下了決心要搭建自己的開發平臺，滿足自己的實際需要。

 

在這裏，我想起來《西遊記》裏面的故事：孫悟空學藝歸來回到花果山以後，第一件事情就是去找一件稱手的兵器，然後幾番周折，最終得到了如意金箍棒。認真對待技術的人，搭建自己的開發平臺，好像也有點兒這個意思。從這個角度說，《西遊記》真的不是一本簡單的魔幻現實主義小說。

 

智能控制設備的開發平臺，有 2 個大的技術決策：1，用什麼 MCU（微控制器）；2，用什麼操作系統。

 

MCU 爲什麼是 STM32？

主流的 MCU 陣營有這麼幾個：

• ST 意法半導體
  便宜、高性能！有固件庫可以方便開發，資料多。
  STM32F10x 系列，樣片在 10 元左右一個，20K 內存、72MHz 主頻、各種外設，已經可以做很多事情了。更吸引人的是，他們家的控制器的固件庫有通用性，熟悉了一個產品線的開發之後，比較容易能夠切換到其它的產品線。 
  說到通用性，所有基於相同核心的 CPU 其實都在某種程度上相通。如手機 ARM 內核。甚至在我看來，只要你是基於時鐘（數字脈衝）的、可以通過寄存器讀寫數據與指令的累加器，都是相通的，當然，實際掌握起來難度也是有的。
• LPC 恩智普
  43xx 系列是雙核的控制器！性能那是沒話說，高端的 LPC 4370 ADC 採樣率是 8千萬次/秒，相比之下同是 ARM cortex-m4 內核的 ST F407 系列只有 7百萬次/秒。問題就是太 TMD 貴了，性價比不如 ST。
• Freescale 飛思卡爾
  不熟，掠過。
• AVR
  開發燒錄程序的時候容易鎖住芯片，變態！而且貴，真的貴。但是，大名鼎鼎的 Arduino 就是用的他們家的 MCU，奇了怪了。不過，如果你是從 51 系列轉過來的話，會有驚豔的感覺。 
• 51 系列
  上個世紀的恐龍，慢、耗電。只不過架構簡單，所以還在被大量的當作入門學習用途。

ARM 9, 11 系列（包括樹莓派）已經不是簡單的控制器了（那就是小電腦），太過龐大，作爲微處理器還行，僅僅拿來做控制器則太過複雜、而且耗電。

而且都用到那個級別了，我爲什麼不弄個微型 PC 吶？！直接上 .net 也好拯救我幾個腦細胞。

 

補充：雖然 LPC 43xx 那麼貴，那麼複雜，那麼沒有性價比，但不知道爲什麼，我還是經常會想起它。

 

操作系統爲什麼是 rt-thread？

複雜的控制器平臺上面當然要有操作系統啦！

20k 字節的內存那顯然是跑不起 windows 的（DOS 都不行），且架構也不同。但是，微控制器用的開源操作系統已經有很多了，夠用了。

備選的有這麼幾個：

• FreeRTOS
  太臃腫。已經到了 8.0 了，估計我是沒有機會看完它的源碼了（這種智能控制系統，看不完源碼誰敢用啊？！），簡單試用過以後，pass。
• rt-thread
  中國人自己開發的，穩定版本是 1.2.1，有希望看完源碼。精簡、靠譜，自帶一個叫做 finsh 的片上調試工具，非常實用。各種信號量、互斥鎖、郵箱、事件等線程協同功能都有。Jony 去張江見過開發團隊，比較放心。缺點是：文件和代碼的組織方式和我的習慣有點兒“出入”，後面談到配置工程的時候會說到。 
  需要注意的是，rt-thread 2.0 版本的設計思想和 1.2 的完全不同，將會把 linux 納入進來，是的，不是在 linux 裏面嵌入 rt-thread，而是把 linux 嵌入到 rt-thread 裏面！想法是強大的，但對我的應用場景來說，有點兒太大了，所以呢，我還是用 1.2.1。
• RTX
  要用 Keil 開發纔有，而且功能實在太少，就是簡單的輪詢調度任務，pass。不過，配合 Keil 調試起來真的是很方便，參考我另一篇文章：搭建使用 RTX51-Tiny 的 C51 Keil 項目環境。
• ucOS II
  看了網友的分析，比 rt-thread 佔資源，且功能還少，pass。

 

相比“裸機”跑代碼來說，在微控制器上面跑操作系統，設計和實現的難度瞬間上去了，但它能顯著降低應用的難度，這個紮實的地基雖然很難挖，但能支撐百層的高樓。凡是繞不過去的，還是早點兒開始接觸、掌握好。

 

獲取 rt-thread

萬能的 Github：https://github.com/RT-Thread/rt-thread 

rt-thread 的官網：http://www.rt-thread.org。文檔呢，官網是有的，不過，真的是隻能作爲參考，很明顯是開發人員的事後開發筆記整理的。目前還是隻能通過看代碼來理解詳細的使用方式，從文檔和論壇的隻言片語裏面，是難以還原真相的。不過，就如上面所說，rt-thread 的好處就是它的版本還比較小，即便缺乏文檔，也是可以看源碼看下去的。謝天謝地。

 

獲取 STM32 固件庫

如何從意法半導體的官網 http://www.st.com 上找到資料並下載下來，是個技術活兒。該官網的搜索功能是個奇葩，比百度的搜索結果還難以讓人理解。

基本上，只能先輸入想找的芯片的型號，然後從結果裏面再找下載。

 

STM32 的固件庫封裝了很多針對芯片的操作以及寄存器設置，如果不用固件庫，你要讓芯片的某個引腳輸出高電平，要這樣寫：GPIOD->BSRR = 0x00000005; 用了固件庫，你就可以這樣寫：GPIO_SetBits(GPIOD, GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_2); （提示：2^0 + 2^2 = 5）。雖然可以對應起來，但實在沒有必要折磨自己，還是用固件庫吧。

 

配置工程目錄

曾經有高人說過“給我看他的數據結構，我就知道他的代碼是怎麼寫的。”我說“給我看他的目錄結構，我就知道他的方案是怎麼設計的。”（說到數據結構這件事，我不得不說，json 在這方面做出了巨大貢獻，如同 c 語言的 struct，只不過是跨語言平臺的。哪怕是做 SharePoint 項目，我也會先考慮定義好適當的 json 對象。）

 

當我說到“工程”的時候，其實是指 workspace、solution，而非“項目”。“項目”叫做 project。一個工程可以包含多個項目。“分而治之”是人類處理複雜事物的基本策略。

問：哪些會變化，哪些不會？

答：所有固件庫、開源組件都被認爲不會因爲我自己的應用需要而變化，只有自己應用寫的會。前者只需要隨着發行方升級即可，Github 上面拉下來也好、從官網下載文件解壓覆蓋也好，都可以。

 

工程目錄佈局規則如下：

• ST MCU 固件庫目錄 STLib
  • MCU 系列子目錄，比如 STM32F10x、STM32F4xx
    • CMSIS
    • 外設驅動子目錄，如 STM32F10x_StdPeriph_Driver
  • 截圖示意
    
• rt-thread 目錄
  • 裏面原樣保持從 Github 拉下來的目錄結構即可，如圖所示
    
• 工程根目錄
  • 工程文件。IAR 的工程文件擴展名是 .eww，如同 Visual Studio 的工程文件擴展名是 .sln 一樣。
  • 文檔目錄。
  • 項目目錄。有多少項目，就有多少個項目目錄。
    • 項目文件。IAR 的項目文件擴展名是 .ewp，如同 Visual Studio 的 C# 項目文件擴展名是 .csproj 一樣。
    • main.c 用 IAR 創建新的項目時，main.c 默認會放在項目目錄下面。我覺得放在那裏挺好，沒有必要改變。
    • App 目錄。裏面放和應用有關的程序文件。
      • 按照上面的路徑配置，假設在 App 目錄裏面有一個 app.c 的程序文件，則該文件到 ST 固件庫的相對路徑是 “../../STLib”，同樣，到 rt-thread 的相對路徑是“../../rt-thread”
    • Board 目錄。裏面放和電路板設置有關的程序文件，比如，串口的管腳定義。這個目錄裏面文件的意義，是把固件庫 & rt-thread 與 應用有關的程序文件隔離開來。個人認爲，這一層的作用是很重要的，要好好規劃。
    • Driver 目錄。裏面放置 rt-thread 提供的各種片上外設的驅動程序，需要從 rt-thread 的 bsp 子目錄裏面對應的芯片驅動中拷貝過來。之所以需要拷貝而非簡單的引用，是因爲這一層的驅動程序可能需要根據應用的需要做定製。
    • Fireware 目錄。裏面放置 ST 固件庫所需的文件，比如 stm32f10x_conf.h。
    • RT-Thread 目錄。裏面放置 rt-thread 所需的配置文件，比如 rtconfig.h。
    • 項目目錄截圖示意（項目名稱叫 LCD）
      

 

配置工程

ST 微控制器 MCU 的開發 IDE，有 3 大陣營

• 官方的 ST Studio
• IAR
• MDK（Keil）

不知道爲什麼，我選了 IAR。這中間當然有很多故事，因爲我的確 3 種都嘗試過，不過，年紀大了，已經記不得這些經歷了。不幸的是，rt-thread 雖然有針對 IAR 的移植，但是開發團隊用的是 MDK（Keil），於是在配置工程的時候多了一些波折。

 

下面是配置的步驟和對應的選項。

打開配置選項窗口
選擇合適的 Device
勾上“Using CMSIS”
輸出所有的彙編鏈接信息
設置編譯器的頭文件搜索路徑以及與定義的宏	頭文件搜索路徑如下： $PROJ_DIR$\..\..\STLib\STM32F10x\CMSIS\CM3\DeviceSupport\ST\STM32F10x $PROJ_DIR$\..\..\STLib\STM32F10x\STM32F10x_StdPeriph_Driver\inc $PROJ_DIR$\App $PROJ_DIR$\Board $PROJ_DIR$\Driver $PROJ_DIR$\Firmware $PROJ_DIR$\RT-Thread $PROJ_DIR$\..\..\RT-Thread\components\init $PROJ_DIR$\..\..\RT-Thread\components\drivers\include\drivers $PROJ_DIR$\..\..\RT-Thread\libcpu\arm\cortex-m3 $PROJ_DIR$\..\..\RT-Thread\libcpu\arm\common $PROJ_DIR$\..\..\RT-Thread\components\finsh $PROJ_DIR$\..\..\RT-Thread\include $PROJ_DIR$\..\..\RT-Thread\components\drivers\include 預定義的宏如下： STM32F10X_MD USE_STDPERIPH_DRIVER HSE_VALUE=((uint32_t)8000000) SYSCLK_FREQ_24MHz=24000000 其中： STM32F10X_MD 表示採用的 MCU 系列和密度，可以在芯片手冊裏面查到。 HSE_VALUE 是 MCU 外部晶振的頻率，按照你的實際需要修改。 SYSCLK_FREQ_24MHZ 是總線頻率，也是按照實際需要修改。
指定默認的鏈接器配置文件	需要使用 rt-thread 的 bsp 目錄下對應的 MCU 的配置文件。否則燒錄進去的程序在芯片中的佈局會不正確，導致 finsh 組件無法正確運行：finsh 移植遇到了問題，始終輸出"Null node"
指定調試工具	我用的 ST-LINK，所以選擇 ST-LINK。
USE Flash Loader
設置 ST-LINK	好了以後可以點 OK 關閉選項設置對話框，然後開始項目文件設置。
引用 ST 固件庫	firmware 文件組下面的文件全部來自 STLib 文件夾，引用即可。但是，注意 system_stm32f10x.c 文件，這裏麪包含 MCU 初始化時鐘的設置。如果你沒有如上面步驟一樣在編譯器的預定義宏裏面定義時鐘，那麼，可以修改這個文件來實現。
引用 rt-thread 文件（不同的組件放在不同的子文件組裏面）	注意，這裏面的 rtconfig.h 是拷貝到項目目錄下面的 RT-Thread 子目錄裏面的那個，因爲需要結合應用的需要進行修改。
拷貝 rt-thread bsp 目錄裏面的驅動程序到 Driver 目錄下

 

開發示例

按照上面的方式建立好工程和項目以後，已經可以開始一個簡單的小程序做測試了，讓板上的 LED 每一秒閃爍一次並通過串口來顯示 finsh。

首先，在 Board 文件組下面建立 board.h、board.c 來定義自己的硬件環境的配置。

board.h 裏面的宏定義 STM32_SRAM_SIZE 很重要，需要根據你所用的 MCU 的實際內存大小來設置。

   1: /* board.h */

   2: #ifndef __BOARD_H__

   3: #define __BOARD_H__

   4:  

   5: #define STM32_EXT_SRAM          0

   6: //    <o>Begin Address of External SRAM

   7: //        <i>Default: 0x68000000

   8: #define STM32_EXT_SRAM_BEGIN    0x68000000 /* the begining address of external SRAM */

   9: //    <o>End Address of External SRAM

  10: //        <i>Default: 0x68080000

  11: #define STM32_EXT_SRAM_END      0x68080000 /* the end address of external SRAM */

  12: // </e>

  13:  

  14: // <o> Internal SRAM memory size[Kbytes] <8-64>

  15: //    <i>Default: 64

  16: #define STM32_SRAM_SIZE         20

  17: #define STM32_SRAM_END          (0x20000000 + STM32_SRAM_SIZE * 1024)

  18:  

  19: void board_initiate();

  20:  

  21: /* LED */

  22: #define USING_LED1

  23: #define led1_periph_clock       RCC_APB2Periph_GPIOC

  24: #define led1_port               GPIOC

  25: #define led1_pin                (GPIO_Pin_13)

  26:  

  27: #endif

   1: /* board.c */

   2: #include <rthw.h>

   3: #include <rtthread.h>

   4:  

   5: #include <stm32f10x.h>

   6: #include "board.h"

   7: #include "usart.h"

   8:  

   9: void board_initiate(){

  10:     SystemInit();

  11:     SysTick_Config( SystemCoreClock / RT_TICK_PER_SECOND );

  12:  

  13:     rt_hw_usart_init();

  14:     rt_console_set_device(RT_CONSOLE_DEVICE_NAME);

  15: }

  16:  

  17: void SysTick_Handler(void)

  18: {

  19:     rt_interrupt_enter();

  20:     rt_tick_increase();

  21:     rt_interrupt_leave();

  22: }

 

然後，在 Driver 文件組裏面建立 led.h、led.c 的驅動。

   1: /* led.h */

   2: #ifndef __LED_H__

   3: #define __LED_H__

   4:  

   5: #include <stdint.h>

   6:  

   7: void led_initiate(void);

   8: void led_on(uint8_t led);

   9: void led_off(uint8_t led);

  10:  

  11: #endif

   1: /* led.c */

   2: #include <stm32f10x.h>

   3: #include "led.h"

   4: #include <board.h>

   5:  

   6: void led_initiate(void)

   7: {

   8:     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

   9:     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_Out_PP;

  10:     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;

  11:  

  12: #ifdef USING_LED1

  13:     RCC_APB2PeriphClockCmd(led1_periph_clock,ENABLE);

  14:     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = led1_pin;

  15:     GPIO_Init(led1_port, &GPIO_InitStructure);

  16: #endif

  17: }

  18:  

  19: void led_on(uint8_t n)

  20: {

  21: #ifdef USING_LED1

  22:     if(n!=0)return;

  23:     GPIO_SetBits(led1_port, led1_pin);

  24: #endif

  25: }

  26: void led_off(uint8_t n)

  27: {

  28: #ifdef USING_LED1

  29:     if(n!=0)return;

  30:     GPIO_ResetBits(led1_port, led1_pin);

  31: #endif

  32: }

 

然後，在 App 文件組裏面建立 app.h、app.c 文件，裏面的內容和具體應用相關。

   1: /* app.h */

   2: #ifndef __APP_H__

   3: #define __APP_H__

   4:  

   5: int app_initiate(void);

   6:  

   7: #endif /* __APP_H__ */

   1: /* app.c */

   2: #include <rthw.h>

   3: #include <rtthread.h>

   4:  

   5: #include "app.h"

   6: #include "led.h"

   7:  

   8: #ifdef  RT_USING_COMPONENTS_INIT

   9: #include <components.h>

  10: #endif  /* RT_USING_COMPONENTS_INIT */

  11:  

  12: static rt_uint8_t led_stack[256];

  13: static struct rt_thread led_thread;

  14: static void led_thread_entry(void* parameter)

  15: {

  16:     led_initiate();

  17:     while (1)

  18:     {

  19:         led_on(0);

  20:         rt_thread_delay( RT_TICK_PER_SECOND/2 );

  21:         led_off(0);

  22:         rt_thread_delay( RT_TICK_PER_SECOND/2 );

  23:  

  24:     }

  25: }

  26:  

  27: int app_initiate(void)

  28: {

  29:     rt_err_t result;

  30:     /* init led thread */

  31:     result = rt_thread_init(&led_thread,

  32:             "led",

  33:             led_thread_entry,

  34:             RT_NULL,

  35:             (rt_uint8_t*)&led_stack[0],

  36:             sizeof(led_stack),

  37:             20,

  38:             5);

  39:     if (result == RT_EOK)

  40:     {

  41:         rt_thread_startup(&led_thread);

  42:     }

  43:  

  44: #ifdef RT_USING_COMPONENTS_INIT

  45:     /* initialization RT-Thread Components */

  46:     rt_components_init();

  47: #endif

  48:  

  49:     return 0;

  50: }

其中 led 線程的堆棧長度是 256 字節，這是實踐出來的。一開始，可以給一個儘量大的堆棧尺寸，然後，運行時通過 finsh 的 list_thread() 命令輸出其實際使用的最大的堆棧尺寸，最後回來修改。

接下來打開 rtconfig.h 確保裏面的 #define RT_USING_FINSH 沒有被註釋掉。

 

最後，在 main.c 裏面加入啓動代碼。

   1: /* main.c */

   2: #include <rthw.h>

   3: #include <rtthread.h>

   4: #ifdef __CC_ARM

   5: extern int Image$$RW_IRAM1$$ZI$$Limit;

   6: #elif __ICCARM__

   7: #pragma section="HEAP"

   8: #else

   9: extern int __bss_end;

  10: #endif

  11:  

  12: #include <stdint.h>

  13: #include "board.h"

  14: #include "app.h"

  15:  

  16: int main()

  17: {

  18:     board_initiate();

  19: #ifdef RT_USING_HEAP

  20: #if STM32_EXT_SRAM

  21:     rt_system_heap_init((void*)STM32_EXT_SRAM_BEGIN, (void*)STM32_EXT_SRAM_END);

  22: #else

  23: #ifdef __CC_ARM

  24:     rt_system_heap_init((void*)&Image$$RW_IRAM1$$ZI$$Limit, (void*)STM32_SRAM_END);

  25: #elif __ICCARM__

  26:     rt_system_heap_init(__segment_end("HEAP"), (void*)STM32_SRAM_END);

  27: #else

  28:     /* init memory system */

  29:     rt_system_heap_init((void*)&__bss_end, (void*)STM32_SRAM_END);

  30: #endif

  31: #endif  /* STM32_EXT_SRAM */

  32: #endif /* RT_USING_HEAP */

  33:     /* init scheduler system */

  34:     rt_system_scheduler_init();

  35:     /* initialize timer */

  36:     rt_system_timer_init();

  37:     /* init timer thread */

  38:     rt_system_timer_thread_init();

  39:     /* init application */

  40:     app_initiate();

  41:     /* init idle thread */

  42:     rt_thread_idle_init();

  43:     /* start scheduler */

  44:     rt_system_scheduler_start();

  45:     /* never reach here */

  46:     return 0;

  47: }

  48:  

  49: void assert_failed(uint8_t* file, uint32_t line)

  50: {

  51:     while (1) ;

  52: }

 

電路設計

本着省錢、夠用的原則，我選擇了 STM32F103C8T6，不到 10 元一片，管腳對於我的測試應用足夠。

爲了確保 MCU 芯片可以滿足需要，建議先用 ST 自家出的 MicroXplorer 來規劃一下芯片上面外設和 IO 的分配，做到心中有數。

 

圍繞着芯片的選型，就可以開始電路設計了。

下面是 MCU 的核心電路：

核心電路的 P1 是 SWD 的編程接口，其管腳的排列是與 ST 的 STM32F4 Discovery 開發板兼容的，這樣就可以直接通過 STM32F4 Discovery 開發板對自己的實驗電路進行調試了。

 

運行效果

然後，就可以編譯並下載到芯片中運行了。

下面貼一個實際的效果（裏面不僅僅有 LED 了）。

 

 

跑一下 finsh，可以看到很多有價值的系統運行數據，如內存的使用情況，各個線程的堆棧使用情況等等。

 

這樣，開發平臺搭建完成，接下來就看自己的想象力了。

P.S. 這段時間看似有點兒不務正業了，後面會把 SharePoint 的時間補回來的。