嵌入式入门

最近买了两块开发板，一块是精英 STM32F103 开发板，用来学习stm32，另一块是阿尔法Linux开发板，用来学习uboot，linux内核以及驱动、操作系统移植这些，感觉挺有意思的。

能学的，想学的东西挺多的，主要是想自己设计一些小东西，从电路原理图的设计，再到芯片元器件选型，绘制PCB，还有各种外设驱动，接口，通信协议，RTOS以及GUI等，还有linux的内核以及驱动这些。

东西还是挺多的，但是感兴趣的话，学起来就不会觉得无聊了。

这篇文章主要是记录自己的一些问题，会一直更新下去，希望能帮到后来者。

这些内容可能不正确，只是自己在学习过程中遇到的一些疑惑，然后通过查看文档和资料，给出的自己的一些见解，如果不对，还请指出。
这篇文章，更多侧重于软件开发转嵌入式的一个角度吧，可能你会遇到和我一样的问题。

另外，在刚开始学嵌入式时，有一种误解，就是需要学习模电、数电这些，但是就我自己上手的经验来看，这些东西可以后期有一定经验了再去学习，不然容易产生挫败感，渐渐丧失兴趣。
即使真的要学，也可以在看电路原理图时有针对性地学习，能看懂如何接线，每个模块的作用就行了（仅针对嵌入式软件）。
还有电烙铁、焊丝、万用表、示波器这些，也不是必需品，有钱可以入，没钱直接用开发板，或者面包板+杜邦线也是问题不大。
(在刚开始摸索时，这些确实成为了一部分阻碍我的因素，所以希望能给后人一些启发，当然学生党的话，建议进实验室，用学校的设备，比较省钱)

硬件

开发板
对于初学者来说，可以使用资料比较全的正点原子、野火，也可以使用江协的。
正点原子的开发板，质量还是有保证的，资料也很丰富，但是有点过于丰富了，板子多，外设多，教程理论知识偏多，比较费时间。
江协使用的是最小系统板+面包板+外设+跳线，这样更容易理解整个的电路构成，从一个最小系统板是如何工作的，包含的五个基本模块（电源、晶振、复位、下载、boot），再到各种常见的外设，如何根据原理图连接外设，如何去理解这些寄存器等等，比较重实操，跟下来很有收获。

正点原子的前面理论知识过多，容易给人挫败感，讲的比较琐碎，听着比较无聊，但是资料很全，如果自己能看懂原理图，就可以跟着江协的视频看。当然，耐着性子看，基础还是能很牢固的，就是真的要耐着性子看。

其实，入门之后，就可以直接自己看源码和文档了，看视频比较费时间。正点原子的例程比较丰富，所有的例程都提供了寄存器版本和HAL库版本。

例程，其实就是程序。
寄存器版和标准库版应当是一个版本，HAL库是ST主推的开发方式，搭配stm32cubeIDE会很方便，但是隐藏了底层细节。
标准库版已经不再更新了，所以学习hal库也是有必要的，上手也很快。

调试器（也叫仿真器）
调试器有好几种，常见的有stlink,jlink,daplink。
正点原子和江协都是用的stlink，便宜稳定又好用。
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上图左边是st官方的stlink，正点原子的stlink也长这样，右边是江协使用的stlink，大部分国产stlink都长这样。

不过正点原子的stlink使用的是jtag接口，占位置也占IO，有20个引脚，很难插拔。
江协使用的stlink使用的是swd接口，只需要四个引脚。

不过jtag引脚的仿真器，也可以直接使用swd调试，只需要连接四根母对母的杜邦线即可。
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标准的jtag和swd都是20个引脚，但是swd可以仅连接4个引脚，对照着上图中的引脚，可以使用杜邦线连接jtag接口，使其工作在swd模式，如下图
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需要注意的是，jtag的一侧有一个缺口，按照这个缺口来对照引脚的位置，不要插错了，不管是调试器还是开发板，一一对应连接这四个引脚，就可以工作在swd模式。

jlink的话，比较贵，正版的貌似要一千多，淘宝上的基本有版权问题，了解的不多。

正点原子家的daplink支持20p标准jtag接口，支持4p精简swd接口，和4p虚拟usb串口，有钱可以入手一个。

初学时可以仅购买最小系统板，尤其是有51基础或者模电基础，这样比较省钱，还能自己购买一些其它的外设，自己去接线，性价比高。

软件

驱动

USB转串口驱动
首先是USB转串口的驱动，目前常用的转串口芯片应该是CH34x，下载地址https://www.wch.cn/download/CH341SER_EXE.html
如果是其它串口芯片，需要安装对应的驱动。

仿真器驱动
daplink是不需要驱动的，stlink和jlink都需要安装驱动，在keil的安装目录里就有对应的驱动安装软件
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Segger/JLink.exe就是jlink的驱动
STLink/USBDriver/dpinst_amd64.exe就是stlink的驱动（64位）

MDK

常用的开发工具就是keil(也叫MDK)、STM32CubeIDE、IAR，这里仅介绍MDK，MDK集编辑、编译、下载、在线仿真等功能，如果喜欢折腾，也可以使用交叉编译工具链搭配其它编辑器去使用自己喜欢的IDE。
MDK是一款付费软件，仅支持windows，界面比较简陋，但是仿真很方便，不用折腾。
mdk的下载和安装这里不展开讲，keil支持基于arm内核的所有芯片，这些芯片的pack需要额外下载，可以本地安装，也可以使用keil的pack installer在线安装。
本地下载安装：首先手动下载芯片的pack包，然后直接双击安装即可。
pack下载地址https://www.keil.arm.com/packs/

使用keil的pack installer在线安装，如下图所示，
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在线安装比较慢，需要耐心等待（很慢）。

下面介绍一些常用的按钮，非常常用
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按照从上到下，从左往右的顺序，仅介绍框出来的按钮：

  1. 仿真（在线调试），会自动编译（如果修改了代码的话），下载，然后可以进行调试，查看寄存器，栈帧，内存，反汇编等等。
  2. 设置，修改编码，文本的字体，字号，关键字颜色等
  3. 构建，这是增量构建，仅编译改动的文件然后链接，右边的是全部重新构建，较慢
  4. 下载，将axf文件下载到flash中
  5. 魔术棒，设置芯片，include，宏定义，debug等
  6. 项目管理，可以设置group和对应group下的文件，group理解为一个过滤器，并不真实存在于文件系统中，用于将不同类型的文件进行分组，但建议一一对应
  7. pack installer，下载芯片pack

下面给出一些比较重要的设置示例，
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  1. 设置编码采用GB2312更好的支持中文，当然使用utf-8也可以，如果打开别人的项目都是乱码，修改这里即可
  2. 设置使用4个空格代替tab键

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  1. 设置使用jetbrain mono字体，14字号，看着更舒服
  2. 也可以将数字的颜色修改为红色，添加一些自定义关键字高亮

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  1. 设置仿真器，使用stlink、jlink、daplink

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  1. 设置仿真器使用的接口，可以使用jtag或者swd，swd占用引脚少，更推荐使用swd，jtag接口的仿真器也能使用swd的连线，连接方式见上面的图片

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  1. 设置下载后自动运行，不需要按复位开关。

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  1. 设置自动生成hex文件，该文件可以用于串口下载，非常方便

STM32CubeIDE 免费，仅支持st家的芯片，支持HAL库图形化界面编程，对寄存器封装比较好，跨平台，后面看情况更新。

串口下载工具

这里扩展一下USB和串口的知识
串口

  • 串口也就是通常所说的"COM口"，指的是计算机上的串行通信端口，通常用于连接外部设备，如串口调试器、传感器、嵌入式系统等。
  • 串口通常使用RS-232、RS-485或TTL等电平标准进行通信，电平标准简单来说就是：什么电压值表示0，什么电压值表示1。
    • TTL电平标准：低电平为0，高电平为1（电平信号）
    • RS-232电平标准：正电平为0，负电平为1（电平信号）
    • RS-485、RS-422 与RS-232类似，但是采用差分信号逻辑，更适合长距离、高速传输。
  • 串口的硬件接口实现主要有两种：4针杜邦头 和 D型9针插头（DB9）
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MAX232芯片可以用来实现TTL电平与RS232电平的转换。
DB9接口的协议常用的只有三种：RS-232（最有可能）、RS-485和RS-422。不可能是TTL电平。

USB

  • 通用串行总线，也就是电脑上用来插U盘的接口
  • 支持热插拔，可以在不关闭计算机的情况下连接和断开设备。
  • 多种传输速率，包括 USB 2.0、USB 3.0 等，能够实现高速数据传输。
  • 可以对外供电
  • 可以连接各种外设

usb转串口

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  • CH34x、PL2303、CP2102、FT232R 芯片是用USB转串口(TTL电平输出)的芯片，需要安装Windows驱动。
  • 单片机中常用于串口下载的电平标准是指TTL电平，DB9接口一般不说明默认都是RS-232电平标准。

使用一键下载电路实现串口下载程序
正点原子的开发板都有板载的USB转串口模块，利用串口的 DTR 和 RTS 信号，分别控制 STM32 的复位和 Boot0，配合正点原子团队研发的上位机软件 ATK-XISP，设置：DTR 的低电平复位，RTS
高电平进 BootLoader，这样，B0 和 STM32 的复位，完全可以由下载软件自动控制，从而实现一键下载。
ATK-XISP软件 是正点原子开发的一款串口下载工具，用于支持stm32芯片的串口下载。
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  1. 搜索串口，选择 CH340 虚拟的串口（根据设备管理器中所显示的设置对应的串口），设置波特率为 460800，保证最大速度下载。
  2. 选择项目编译生成的hex文件。
  3. 全部勾选，可以保证下载程序的正确性，并下载完后自动运行，省去按复位的麻烦。
  4. 选择 DTR 的低电平复位，RTS 高电平进 BootLoader，以匹配一键下载电路，实现一键下载代码，省去设置 BOOT0、按复位的麻烦。

下面介绍一键下载电路的原理：
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图中 Q2 和 Q3 的组合构成了我们开发板的一键下载电路，只需要在 ATK-XISP软件设置：DTR的低电平复位，RTS 高电平进 BootLoader。就可以一键下载代码了，而不需要手动设置 B0 和按复位了。其中，RESET 是开发板的复位信号，BOOT0 则是启动模式的 B0 信号。一键下载电路的具体实现过程：首先，mcuisp 控制 DTR 输出低电平，则 DTR_N 输出高，然后 RTS 置高，则 RTS_N 输出低，这样 Q3 导通了，BOOT0 被拉高，即实现设置 BOOT0 为1，同时 Q2 也会导通，STM32F1 的复位脚被拉低，实现复位。然后，延时 100ms 后，mcuisp 控制 DTR 为高电平，则 DTR_N 输出低电平，RTS 维持高电平，则 RTS_N 继续为低电平，此时STM32F1 的复位引脚，由于 Q2 不再导通，变为高电平，STM32F1 结束复位，但是 BOOT0 还是维持为 1，从而进入 ISP 模式，接着 mcuisp 就可以开始连接 STM32F1，下载代码了，从而实现一键下载。
USB_UART 是一个 USB TypeC 座，提供 CH340C 和电脑通信的接口，同时可以给开发板供电，VUSB 就是来自电脑 USB 的电源，USB_UART 是本开发板的主要供电口。

通过BOOT引脚和reset模块下载程序
如果没有上面的一键下载电路，那么就需要通过调整BOOT0和BOOT1来实现串口下载了。
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BOOT 引脚接 VCC，是从系统存储器启动，进入后直接运行 ST 官方的 Bootloader 程序，就可以通过 ST 官方预设的接口下载程序，如：USART1 等。该模式除了可以通过上述的接口下载程序，其实还有一个作用：可用于异常关闭 JTAG/SWD 导致仿真器无法下载程序时的补救措施（在此模式下，下载一个不关闭 JTAG/SWD 接口的程序即可救活）。
STM32 串口下载的标准方法是四个步骤：

  1. 把 B0 接 V3.3
  2. 保持 B1 接 GND
  3. 按一下复位按键
  4. 使用上位机软件下载代码

通过这几个步骤，我们就可以通过串口下载代码了，下载完成之后，如果没有设置从0X08000000 开始运行，则代码不会立即运行，此时，你还需要把 B0 接回 GND，然后再按一次复位，才会开始运行你刚刚下载的代码。所以整个过程，你得跳动 2 次跳线帽，还得按 2 次复位，比较繁琐。

如果开发板中没有串口模块，可以购买一个USB转串口(TTL电平)模块，用于串口下载和调试。

使用开发板作为USB转TTL串口模块
当然，如果有一块正点原子的开发板，也可以不用买，这块开发板上的串口模块的设计，就能让该开发板充当USB转串口的功能。
因为，正点原子精英 STM32F103 板载的 USB 串口和 STM32F103ZET6 的串口是通过 P3 连接起来的
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图中 TXD/RXD 是相对 CH340 来说的，也就是 USB 串口的发送和接收脚。而 USART1_RX和 USART1_TX 则是相对于 STM32F103ZET6 来说的。这样，通过对接，就可以实现 USB 串口和 STM32F103ZET6 的串口通信了。同时，P3 是 PA9 和 PA10 的引出口。这样设计的好处就是使用上非常灵活。比如需要用到外部 TTL 串口和 STM32通信的时候，只需要拔了跳线帽，通过杜邦线连接外部 TTL 串口，就可以实现和外部设备的串口通信了；又比如我有个板子需要和电脑通信，但是电脑没有串口，那么你就可以使用开发板的 RXD 和 TXD来连接你的设备，把我们的开发板当成 USB 转 TTL 串口用了。

串口调试工具

ATK-XCOM软件 是正点原子开发的串口调试助手软件
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未完待续...

posted @ 2024-05-03 16:13  EricLing0529  阅读(82)  评论(0)  编辑  收藏  举报