Дата поста: 05-02-2018

Недавно коллега меня подсадил на идею создания умного дома, я даже успел заказать себе десятки разных датчиков. Встал вопрос о выборе Микроконтроллера (далее МК) или платы. После некоторых поисков нашёл несколько вариантов. Среди них были и Arduino (включая его клоны, один из которых себе заказал ради того, чтобы просто побаловаться) и Launchpad, но всё это избыточно и громоздко (хотя в плане программирования гораздо проще, но тему холиваров поднимать не буду, у каждого свои вкусы). В итоге решил определяться не с готовой платой, а взять только МК и делать всё с нуля. В итоге выбирал между Atmel ATtiny (2313), Atmel ATmega (решил отказаться т.к. не смог найти за адекватные деньги), STM32 (Cortex на ядре ARM). С тинькой я уже успел побаловаться, так что взял себе STM32VL-Discovery. Это можно назвать вступлением к циклу статей по STM32. Оговорюсь сразу, автором большинства этих статей буду являться не я, т.к. сам только познаю, здесь я публикую их в первую очередь для себя, чтоб удобнее было искать если что-то забуду. И так поехали!

Общие сведения

Микроконтроллеры семейства STM32 содержат в своём составе до семи 16-разрядных портов ввода-вывода c именами от PORTA до PORTG. В конкретной модели микроконтроллера без исключений доступны все выводы портов, общее количество которых зависит от типа корпуса и оговорено в DataSheet на соответствующее подсемейство.

Для включения в работу порта x необходимо предварительно подключить его к шине APB2 установкой соответствующего бита IOPxEN в регистре разрешения тактирования периферийных блоков RCC_APB2ENR:

RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPxEN; // Разрешить тактирование PORTx.

Управление портами STM32 осуществляется при помощи наборов из семи 32-разрядных регистров:

  • GPIOx_CRL, GPIOx_CRH – задают режимы работы каждого из битов порта в качестве входа или выхода, определяют конфигурацию входных и выходных каскадов.
  • GPIOx_IDR – входной регистр данных для чтения физического состояния выводов порта x.
  • GPIOx_ODR– выходной регистр осуществляет запись данных непосредственно в порт.
  • GPIOx_BSRR – регистр атомарного сброса и установки битов порта.
  • GPIOx_BSR – регистр сброса битов порта.
  • GPIOx_LCKR – регистр блокировки конфигурации выводов.

Режимы работы выводов GPIO

Режимы работы отдельных выводов определяются комбинацией битов MODEy[1:0] и CNFy[1:0] регистров GPIOx_CRL и GPIOx_CRH (здесь и далее: x-имя порта, y- номер бита порта).

GPIOx_CRL — регистр конфигурации выводов 0...7 порта x:

STM32_GPIO_CRL0

STM32_GPIO_CRL1

Структура регистра GPIOx_CRH аналогична структуре GPIOx_CRL и предназначена для управления режимами работы старших выводов порта (биты 8...15).

Биты MODEy указанных регистров определяют направление вывода и ограничение скорости переключения в режиме выхода:

  • MODEy[1:0] = 00: Режим входа (состояние после сброса);
  • MODEy[1:0] = 01: Режим выхода, максимальная скорость – 10МГц;
  • MODEy[1:0] = 10: Режим выхода, максимальная скорость – 2МГц;
  • MODEy[1:0] = 11: Режим выхода, максимальная скорость – 50МГц.

Биты CNF задают конфигурацию выходных каскадов соответствующих выводов:

в режиме входа:

  • CNFy[1:0] = 00: Аналоговый вход;
  • CNFy[1:0] = 01: Вход в третьем состоянии (состояние после сброса);
  • CNFy[1:0] = 10: Вход с притягивающим резистором pull-up (если PxODR=1) или pull-down (если PxODR=0);
  • CNFy[1:0] = 11: Зарезервировано.

в режиме выхода:

  • CNFy[1:0] = 00: Двухтактный выход общего назначения;
  • CNFy[1:0] = 01: Выход с открытым стоком общего назначения;
  • CNFy[1:0] = 10: Двухтактный выход с альтернативной функцией;
  • CNFy[1:0] = 11: Выход с открытым стоком с альтернативной функцией.

С целью повышения помехоустойчивости все входные буферы содержат в своём составе триггеры Шмидта. Часть выводов STM32, снабженных защитными диодами, соединёнными с общей шиной и шиной питания, помечены в datasheet как FT (5V tolerant) — совместимые с напряжением 5 вольт.

Защита битов конфигурации GPIO

Для защиты битов в регистрах конфигурации от несанкционированной записи в STM32 предусмотрен регистр блокировки настроек GPIOx_LCKR
GPIOx_LCKR — регистр блокировки настроек вывода порта:

STM32_GPIOX_LCKR

Для защиты настроек отдельного вывода порта необходимо установить соответствующий бит LCKy. После чего осуществить последовательную запись в разряд LCKK значений "1” — "0” — "1” и две операции чтения регистра LCKR, которые в случае успешной блокировки дадут для бита LCKK значения "0” и "1” . Защита настроечных битов сохранит своё действие до очередной перезагрузки микроконтроллера.

Файл определений для периферии микроконтроллеров STM32 stm32f10x.h определяет отдельные группы регистров, объединённые общим функциональным назначением (в том числе и GPIO), как структуры языка Си, а сами регистры как элементы данной структуры. Например:

GPIOC->BSRR – регистр BSRR установки/сброса порта GPIOC.
Воспользуемся определениями из файла stm32f10x.h для иллюстрации работы с регистрами ввода-вывода микроконтроллера STM32F100RB установленного в стартовом наборе STM32VLDISCOVERY:

#include "stm32F10x.h"
   u32 tmp;
   int main (void)
   {
        RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPCEN; // Разрешить тактирование PORTC.
        GPIOC->CRH |= GPIO_CRH_MODE8; // Вывод светодиода LED4 PC8 на выход.
        GPIOC->CRH &=~GPIO_CRH_CNF8; // Двухтактный выход на PC8.
        GPIOC->CRH |= GPIO_CRH_MODE9; // Вывод светодиода LED3 PC9 на выход.
        GPIOC->CRH &=~GPIO_CRH_CNF9; // Двухтактный выход на PC9.
        GPIOA->CRL&=~GPIO_CRL_MODE0; // Кнопка "USER" PA0 - на вход.
         // Заблокировать настройки выводов PC8, PC9.
        GPIOC->LCKR = GPIO_LCKR_LCK8|GPIO_LCKR_LCK9|    GPIO_LCKR_LCKK;
        GPIOC->LCKR = GPIO_LCKR_LCK8|GPIO_LCKR_LCK9;
        GPIOC->LCKR = GPIO_LCKR_LCK8|GPIO_LCKR_LCK9|    GPIO_LCKR_LCKK;
        tmp=GPIOC->LCKR; tmp=GPIOC->LCKR;
   }

Запись и чтение GPIO

Для записи и чтения портов предназначены входной GPIOx_IDR и выходной GPIOx_ODR регистры данных.

Запись в выходной регистр ODR порта настроенного на вывод осуществляет установку выходных уровней всех разрядов порта в соответствии с записываемым значением. Если вывод настроен как вход с подтягивающими резисторами, состояние соответствующего бита регистра ODR активирует подтяжку вывода к шине питания (pull-up, ODR=1) или общей шине микроконтроллера (pull-down, ODR=0).

Чтение регистра IDR возвращает значение состояния выводов микроконтроллера настроенных как входы:

// Если кнопка нажата (PA0=1), установить биты порта C, иначе сбросить.
 if (GPIOA->IDR & GPIO_IDR_IDR0) GPIOC->ODR=0xFFFF; else GPIOC->ODR=0x0000;

Сброс и установка битов порта

Для атомарного сброса и установки битов GPIO в микроконтроллерах STM32 предназначен регистр GPIOx_BSRR. Традиционный для архитектуры ARM способ управления битами регистров не требующий применения операции типа "чтение-модификация-запись” позволяет устанавливать и сбрасывать биты порта простой записью единицы в биты установки BS (BitSet) и сброса BR (BitReset) регистра BSRR. При этом запись в регистр нулевых битов не оказывает влияния на состояние соответствующих выводов.

GPIOx_BSRR – регистр сброса и установки битов порта:

STM32_GPIOX_BSRR

GPIOC->BSRR=GPIO_BSRR_BS8|GPIO_BSRR_BR9; // Зажечь LED4 (PC8), погасить LED3.
GPIOC->BSRR=GPIO_BSRR_BS9|GPIO_BSRR_BR8; // Зажечь LED3 (PC9), погасить LED4.

Альтернативные функции GPIO и их переназначение (remapping)
Практически все внешние цепи специального назначения STM32 (включая выводы для подключения кварцевых резонаторов, JTAG/SWD и так далее) могут быть разрешены на соответствующих выводах микроконтроллера, либо отключены от них для возможности их использования в качестве выводов общего назначения. Выбор альтернативной функции вывода осуществляется при помощи регистров с префиксом "AFIO”_.
Помимо этого регистры AFIO_ позволяют выбирать несколько вариантов расположения специальных функций на выводах микроконтроллера. Это в частности относится к выводам коммуникационных интерфейсов, таймеров (регистры AFIO_MAPR), выводам внешних прерываний (регистры AFIO_EXTICR) и т. д.

Подробнее смотрите документы "Reference manual” на соответствующую подгруппу микроконтроллеров.

Проекты к статье:

  1. µVision 4.13a -> STM32GPIO_emcu_uV
  2. IAR ARM 6.0 -> STM32GPIO_emcu_iar
  3. IAR ARM 6.21 -> STM32GPIO_emcu_iar_V6.21

Для управления GPIO STM32 Вы можете применить макросы написанные как альтернативу далеко не оптимальным по мнению многих библиотекам от ST: gpio_emcu.h

Дополнительный материал:

  1. STM32F10xxx Reference manual. Справочное руководство разработчика
  2. STM32F100xx Reference manual. Справочное руководство разработчика
  3. STM32F105xx, STM32F107xx Datasheet
  4. STM32F100x4, STM32F100x6, STM32F100x8, STM32F100xB Data Sheet
  5. Руководство по созданию проектов для STM32DISCOVERY в IAR
  6. Руководство по созданию проектов для STM32DISCOVERY в MDK-ARM, uVision

Другие части

  1. (эта часть) Программирование STM32. Часть 1. GPIO, порты ввода-вывода STM32
  2. Программирование STM32. Часть 2. Система тактирования STM32
  3. Программирование STM32. Часть 3. Система прерываний
  4. Программирование STM32. Часть 4. Внешние прерывания EXTI

Комментарии