【阿良的嵌入式系統技術學習區】STM32系列MCU韌體程式設計基礎實務 課程內容介紹

課程涵蓋內容如下:

• 韌體程式常用程式語言
• 組合語言指令集與MCU架構簡介
• 以架構簡潔清晰的Intel MCS51指令集為教材範例
• C語言基礎複習
• 高階與低階語言(C語言 與 組合語言Assembly)差異介紹與實驗驗證
  
  
• STM32 MCU常見開發環境操作教學
• ARM KEILC 評估版 整合開發環境(IDE)操作教學
• STM32CubeMX工具與STM32Cube IDE操作教學
• 其它IDE簡介(如 IAR)
• 中斷(Interrupt)機制
• ARM Cortex-Mx系列搭配之NVIC (嵌套式向量中斷控制器)介紹
• 中斷優先權實驗
  
  
• 周邊裝置驅動原理與實作
• GPIO（通用輸入/輸出介面）
• GPIO架構與驅動原理
• IO Port結構原理、Open-drain(開汲極)、Push-Pull output(推挽式輸出)、Pull-up、Pull-down等相關硬體電路原理
• 外部簡易電路整合應用設計原理
• 輸出驅動實驗（GPO, General Purpose Output）
• 輸入驅動實驗（GPI, General Purpose Input）
• Timer/Counter（計時器/計數器）
• 計時器
• 計數器
• 輪詢與中斷應用實驗
• UART （通用非同步串列傳輸通訊介面）
• UART之協定原理
• 輪詢與中斷應用實驗 (與其它具備UART介面之設備進行通訊實驗）
• RS232與RS485纜線介紹
  
  • 電氣位準轉換原理
    
  • 相關IC介紹
• ADC（類比轉數位轉換器）
• 輪詢與中斷機制  搭配 亮度感測器 進行實驗
• I²C串列通訊介面
• SPI串列通訊介面
• 其它各種周邊裝置、I/O介面或協定(PWM、1-wire、DAC、DMA...)
  
  
• 基礎電子電路與元件應用
• 類比電子電路 與 數位電子電路 基礎原理觀念
• 基本電壓、電流量測
• 二極體
• 電晶體
• 如: BJT開關應用、MOSFET (如level shift電路應用)
• OPA(運算放大器)基本應用
• 穩壓IC應用介紹
• 光耦合IC
• Relay繼電器驅動
  
  
• 進階選修
• GPIO進階應用之 矩陣多按鈕鍵盤 掃描輸入演算法
• GPIO進階應用之 多合一七段顯示器 掃描輸出演算法
• LCD顯示驅動
• 各式無線通訊模組應用(藍牙、ZigBee、LoRa、Wifi等等)
• 各式感測器應用(如: 溫度、溼度、三軸加速度感測器、陀螺儀、電流感測、pH酸鹼值、ORP氧化還原...等等)
• 步進馬達驅動
• 直流馬達驅動
• 應用專題
• 物聯網IoT (如 智慧家庭、智慧農業、自動化系統...)
• 穿戴式裝置(慣性感測、生醫訊號處理應用...)
  
  

• 實驗硬體平台為ARM Cortex-M based STM32 MCU為核心之開發板
• 課程包含周邊介面基本電路原理、基本電路圖閱讀 之相關內容
• 課程方向相關之本園區文章:

• STM32 MCU韌體課程 之 中斷(Interrupt)機制: NVIC基本原理與應用 課程簡介

• STM32 (ARM based MCU)開發環境建置
• SoC/MCU晶片內部IO Port結構、Open-drain(開汲極)、Push-Pull output(推挽式輸出)等相關課程內容介紹
• ARM Cortex-M3 CPU bit-banding功能機制講解，以STM32F103之GPIO範例程式為
• 【UART應用】國外STM32臉書facebok社團討論小PO文之記錄整理:用UART傳送浮點數的方式 
• STM32 Timer之計數器功能簡易使用教學與Demo 
• CMSIS-OS wrapping layer和FreeRTOS之thread優先權號碼之對應與互轉 
• STM32CubeIDE之簡介與安裝流程
• STM32 UART基礎教學之部份簡介(主要以簡易的Receive data應用為範例作教學)
• STM32 MCU RM0090 Reference manual Rev 19的973~974頁 USART Receiver(章節30.3.3)的一個寫法上的小問題

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孫文良 (阿良的嵌入式系統技術學習區)

個人簡介: https://sites.google.com/view/wenliangsun/

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【課程內容介紹】【STM32】STM32 UART基礎教學之部份簡介(主要以簡易的Receive data應用為範例作教學)

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STM32_UART基礎教學之部份簡介(主要以簡易的Receive data應用為範例作教學)。

課程會介紹關於UART的基礎使用方式，包含Polling(輪詢)和interrupt(中斷)機制的差異和基本使用觀念。

而在中斷的方面，

下列影片1的情況是因為我們 沒有 讓CPU或DMA去讀(read) Receive Data Register之中的接收資料，也沒有去對RXNE flag寫0，所以RXNE flag沒有被清除，導致UART ISR flow不斷地被觸發。

影片1

而影片2的情況是因為我們讓CPU從Receive Data Register把資料給讀走(在ISR flow中呼叫使用了HAL_UART_Receive)，所以RXNE flag被清除，所以每當UART收到來自PC端(中間串接UART轉USB的module)的字元資料(character byte data)，UART ISR flow才會被觸發。

影片2

另外，在課程中也會提及blocking mode API(以HAL_UART_Receive為例) 和 non-blocking mode API(以HAL_UART_Receive_IT為例)的差異，如影片3。

影片3

影片中使用的STM32板子型號是STM32F407G-DISC1 (STM32F4-Discovery)，板子上的主MCU晶片型號是STM32F407VGT6(ARM Cortex-M4 CPU based)。

另外關於一些在ST官方手冊[1]中相關的部分:

ST RM0090官方手冊[1]

ST RM0090官方手冊[1]

題外話，注意這裡的STM32 MCU通訊功能周邊裝置的blocking/non-blocking mode API，和作業系統(如Linux)的blocking/non-blocking I/O model的意思(實際狀況)不太一樣，勿混淆。

也可於下方連結進去我於facebook的公開貼文中觀看，謝謝。

Ref: 

[1] STM32 RM0090 Reference manual Rev 19: https://www.st.com/resource/en/reference_manual/dm00031020-stm32f405-415-stm32f407-417-stm32f427-437-and-stm32f429-439-advanced-arm-based-32-bit-mcus-stmicroelectronics.pdf

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孫文良 (阿良的嵌入式系統技術學習區)

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【STM32】【課程介紹】使用STM32CubeMX + KeilC(MDK-ARM) 的 STM32 (ARM based MCU)開發環境建置 開課啦

使用STM32CubeMX + KeilC(MDK-ARM) 的 STM32 (ARM based MCU)開發環境建置開課囉

主要包含以下內容:

- STM32CubeMX這款initialization code generator工具的基本使用操作

- KeilC(MDK-ARM) IDE 基本下載安裝(評估版)與使用操作

- 兩種韌體燒錄方式教學

   (1) 透過ST-Link(V2) debugger進行燒錄(以STM32 MCU之Serial Wire Debug介面進行燒錄搭配KeilC debug模式的基礎操作教學)

   (2) 搭配使用ST官方的flash loader軟體以及UART轉USB轉換線/模組，藉由STM32 MCU的USART1進行燒錄

- 基本簡易GPIO輸出驅動範例程式DEMO與教學(驗證開發環境)

- STM32 MCU基礎架構/觀念(包含帶學員瀏覽官方技術手冊)

[實際內容將可能視學員之實際狀況與進度進行調整]

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孫文良 (阿良的嵌入式系統技術學習區)

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【課程內容介紹】本學習區之嵌入式系統SoC/MCU晶片內部IO Port結構、Open-drain(開汲極)、Push-Pull output(推挽式輸出)等相關課程內容介紹

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近期在對擔任韌體開發工程師的學員進行授課的過程中，以8051 MCU作為實驗目標教材，介紹到了8051 MCU四組I/O Port的內部硬體結構和運作原理，

尤其是Port0的部分，因為其兼顧作為8051存取外部記憶體所使用的Address/Data bus的IO Port，當談到如何將其作為一般用途的IO Port(GPIO)時，也會介紹到Open-drain(開汲極)與外加Pull-up resister的相關原理，也會藉由ST官方的STM32 MCU AN4899這份AP note資料手冊的GPIO內部結構圖來額外補充Push-Pull output(推挽式輸出)的概念。

ST官方 STM32 MCU AN4899 AP note

並且會說明在軟韌體層面(以組合語言/指令集說明)，是如何與上述的IO Port硬體運作進行相互作用/搭配而共同完成開發者肉眼可視的這些IO功能。

此外，關於8051 MCU之Port0搭配Port2作為存取外部記憶體所使用的Address/Data bus的相關原理的部分，雖然現在的MCU很少直接這樣做了，但是仍為學習底層相關原理的一個重要概念，故仍然會在課程內對學員進行說明。

相關文章:

1.【課程介紹】本學習區已開設 & 未來即將開設之嵌入式系統軟韌體技術課程 & 課程特色!

2. 許多人對於8051 MCU常有的錯誤觀念討論與闢除 (2020/10/12更新) 

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孫文良 (阿良的嵌入式系統技術學習區)

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【使用STM32CubeIDE進行STM32 MCU軟韌體開發】STM32 Timer之計數器功能簡易使用教學與Demo

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• 前言

有接觸過8051 MCU的朋友可能知道，在8051中，能夠使用其內部Timer來達成計數器（counter）的功能。對相關的暫存器設定完成無誤後，從8051晶片外部輸入負緣訊號(falling edge)到8051的T1或T0(對應Timer1和Timer0)腳位，即可實現計數功能。每當輸入一個負緣訊號，就會看到timer中的計數暫存器(THx/TLx)的值+1，也就是進行上數(count up)的動作

而STM32系列MCU內部的Timer當然也有這種功能，只是又更加的複雜且多元(畢竟8051是30幾年被開發的MCU晶片)

近期因為收到朋友的緊急協助需求，希望使用STM32 MCU上面的計數器的功能(由MCU外部輸入訊號達成計數)

起初使用網路上許多文章所介紹使用ETR的方式(數年前曾用過)，但在此IDE上使用STM32CubeMX tool作相對應的設定後沒有成功(原因尚不清楚，或許有些小地方沒注意到)。於是花了些時間查資料，後來在網路上有看到外國朋友所做的影片，是透過STM32CubeMX tool去做對應的設定，並產生出相對應的code。這篇文章會介紹參考這個影片的設定方式，並在STM32CubeIDE開發環境上面重現實驗和功能測試的過程，過程中會有一些與上述影片中不同的地方

所以這篇文章就僅當成一個實驗紀錄供參考，暫時不分析講解STM32內部Timer的各種模式或較複雜的細節

對於細節有興趣的朋友可自行參考ST官方文件，例如:

- AN4776 Application note General-purpose timer cookbook for STM32 microcontrollers

- STM32L4 - Timers

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• 本文重點

我們用的實驗平台是STM32F407G-DISC1 (STM32 discovery系列的板子MB997D)，與上述國外網友的影片中所用的平台型號不同

- STM32F407G-DISC1官方資料: UM1472 User manual Discovery kit with STM32F407VG MCU

- STM32F405xx, STM32F407xx MCU官方datasheet: 

https://www.st.com/resource/en/datasheet/stm32f407vg.pdf

STM32F407G-DISC1開發板

而從上述官方資料中的電路圖可得知，板子上面的藍色按鈕(代號B1)是被接到STM32F407VG MCU晶片的PA0這根pin腳，且平常是pull down(透過編號R39的220K電阻)的狀況，而當按鈕按下時會是一個high level訊號輸入PA0。如下圖:

STM32F407G-DISC1開發板上的藍色小按鈕對應電路圖
(圖片來源: ST官方資料 UM1472 User manual Discovery kit with STM32F407VG MCU)

而我們可以從STM32F407G datasheet的pin out & pin description中看到，PA0這隻腳位的Alternate functions欄位中，是有包含TIM2_CH1_ETR的。基本上這些資訊就提示了我們可以使用這塊開發板上面的藍色按鈕來進行計數器的MCU晶片外部訊號的產生來源(demo驗證功能用)

STM32F407G datasheet中的PA0的pin out & pin description

接下來開始關於軟體的部分。在STM32Cube IDE開設一個關於你自己的STM32平台所屬的專案(看是針對你的MCU型號或者你所使用的開發板型號)

並且使用STM32CubeMX tool開啟專案內的.ioc檔案，在左方的Timers裡面的TIM2的Slave Mode設定為External Clock Mode 1 並將Mode(深灰色項目)中Trigger Source選擇為TI1FP1。此時會在右方MCU對應腳位圖看到PA0這根腳位被設為TIM2_CH1用途 (眾多alternate functions之一)

STM32Cube IDE相關設定(Mode)

再來接著進行Configuration(深灰色項目)中的設定，首先是Parameter Settings(深藍色選項，被選到時會變成比較淺的藍色)。注意: Counter Period一定要設定，且不能設為0。例如你設定100，那Timer最多計數到100，再到下一個tick時，計數值(CNT register的值)就會變成0，簡單來說這個就是設定上限。而因為這顆STM32F407的Timer2(TIM2)的長度是32bits，所以這個Counter Period在這顆MCU晶片上最多可以設定到2的32次方)，Trigger polarity設為Rising Edge(正緣觸發)。設定畫面如下:

STM32Cube IDE相關設定(Configuration-Parameter Settings)

而關於計數器從外部輸入訊號所需對應的GPIO Settings(深藍色選項，被選到時會變成比較淺的藍色)如下圖，基本上在我這次的應用需求上沒什麼需要更動的

STM32Cube IDE相關設定(Configuration-GPIO Settings)

接下來就是按下Ctrl + S或者IDE上面的Project選項內的Generate Code，以產生相關的程式碼

接著，在程式中加入實際執行時須呼叫的函式HAL_TIM_Base_Start(&htim2)以啟動TIM2 ，否則TIM2是不會動的。

再來就是燒錄&執行程式(若不清楚操作步驟的朋友可參考網路上其他教學)，這邊是用Debug模式進行測試 (透過板子上的stlink進行線上除錯模式觀看暫存器的值)。

進入Debug模式後透過右上方的tool觀察TIM2之CNT暫存器的值

執行結果如下影片(特別觀察上圖中下方紅色圈起來的地方的CNT(counter register)值的變化，每按一下板子上了藍色按鈕，其值即會+1(上數)。而用滑鼠點擊IDE畫面上的Debug tool的RD按鈕圖示是為了更新畫面上顯示的暫存器值

另外，如果要用軟體的方式取得本例中的TIM2的CNT值，可以使用__HAL_TIM_GET_COUNTER這個macro function，其內容在stm32f4xx_hal_tim.h內

__HAL_TIM_GET_COUNTER macro function

而像本例是用TIM2，所以加上參數後的函式呼叫就是長這樣子: __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim2);

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【使用STM32CubeIDE進行STM32 MCU軟韌體開發】CMSIS-OS wrapping layer和FreeRTOS之thread優先權號碼之對應與互轉

• 簡介:

當我們使用STM32Cube IDE進行STM32 MCU的軟韌體開發時

若有透過STM32CubeMX工具勾選FreeRTOS

則STM32Cube IDE將會自動產生(長出)結合了ARM CMSIS介面層與third party RTOS(我們目前的狀況下就是FreeRTOS)的code出來，加入到我們的MCU開發專案檔中

本文將要介紹的code基本上都是由STM32Cube IDE所自動生成的code，將會追蹤一下這篇文章主題所要追蹤的一個小小部分的source code

而關於這方面的一些較詳細的部分，例如何謂CMSIS，與third party RTOS之間的關係為何? 未來應該會再另寫文章作介紹，若有興趣的讀者可先參考ST官方文件: UM1722 User manual- Developing applications on STM32Cube with RTOS  以及下方於此ST官方文件中的架構圖

CMSIS-RTOS Architecture(圖片來源: ST官方文件)

而這篇文章的重點會放在有關於CMSIS-OS wrapping layer(以下簡稱CMSIS)和FreeRTOS的task優先權號碼之對應與互轉相關的部分

基本上內容簡單，所以適合在BLOG將追蹤過程大致寫出來(技術過程太複雜的文章不太適合用BLOG寫)

註: 本例是用CMSIS-RTOS V1來實驗的 (現在已經有V2了)

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• 本文重點:

當我們在屬於應用程式層的main.c裡面，要藉由CMSIS API創建thread(在FreeRTOS裡面稱作task)時，會需要指定優先權。例如osPriorityHigh或osPriorityNormal即為列舉(enum)內的常數元素項目的名稱(而此數這個常數就是優先權號碼)

osThreadDef 的第三個參數即為優先權號碼

而實際關於這部分的列舉型態宣告之內容如下圖:

osPriority enum declaration in cmsis_os.h

也就是關於我們在STM32Cube with CMSIS & FreeRTOS環境下的CMSIS創建thread時所指定的 -3到3這樣的7個優先權號碼，是CMSIS_OS這層介面所宣告制定的

這時有或許有些接觸過FreeRTOS的人就會有疑問，FreeRTOS的優先權號碼，不是從0(the lowest priority)到configMAX_PRIORITIES - 1 嗎(the highest priority, 預設是6)嗎? 這之間如何對應呢?

FreeRTOSConfig.h

實際上，CMSIS的優先權號碼(-3到3)，是對應到FreeRTOS的0到6(configMAX_PRIORITIE-1，而在FreeRTOSConfig.h內的configMAX_PRIORITIES預設是7，所以號碼就是0到6)

關於這方面的互轉實作，可以參考cmsis_os.c 的makeFreeRtosPriority()和makeCmsisPriority() 這兩隻函數即可看出來(前者的作用就是就是將CMSIS的thread優先權號碼轉為FreeRTOS的優先權號碼。而後者的作用就是與前者相反)

makeFreeRtosPriority和makeFreeRtosPriority API

這邊舉個實際例子: 例如CMSIS層的優先權3，在makeFreeRtosPriority函式裡面就會去減掉-3 (由程式碼裡面的priority - osPriorityIdle可得知，這邊的priority是3，而osPriorityIdle從上面介紹過的cmsis_os.h中的宣告是-3)，而3減-3會得到6，可以簡單地從這些資訊判斷CMSIS層的優先權號碼3，其實是對應到FreeRTOS的優先權號碼6。

再舉另一個例子: 如果CMSIS層的優先權號碼-3，就會對應到FreeRTOS的優先權號碼0，因為-3減-3會得到0。其餘號碼皆以此類推

而理所當然地，osThreadCreate()的內容中，會去呼叫到makeFreeRtosPriority()，以此完成CMSIS的thread優先權號碼與FreeRTOS thread優先權號碼的轉換對應

osThreadCreate API

所以總結一下，下表為CMSIS和FreeRTOS的優先權號碼對照表

另外，最後也將osThreadDef、osThread以及 os_thread_def struct貼出來供參考

osThreadDef

os_thread

 os_thread_def  struct

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