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裸机编程指南




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本指南是为那些希望用GCC编译器和数据手册而无需其他任何东西就能开始为微控制器（单片机）编程的开发者而写的。本指南中的基础知识可以帮助你更好地理解像STM32Cube、Keil、Arduino和其他框架或IDE是怎么工作的。

本指南涵盖了以下话题：

- 存储和寄存器
- 中断向量表
- 启动代码
- 链接脚本
- 使用make进行自动化构建
- GPIO外设和闪烁LED
- SysTick定时器
- UART外设和调试输出
- printf重定向到UART
- 用Segger Ozone进行调试
- 系统时钟配置
- 实现一个带设备仪表盘的web服务器

我们将使用Nucleo-F429ZI开发板(淘宝购买)贯穿整个指南的实践，每个章节都有一个相关的完整小项目可以实战。最后一个web服务器项目非常完整，可以作为你自己项目的框架，因此这个示例项目也提供了其他开发板的适配：

- STM32 Nucleo-F429ZI
- TI EK-TM4C1294XL
- 树莓派 Pico-W

对其他板子的适配支持还在进行中，可以提交issue来建议适配你正在用的板子。

 工具配置

为继续进行，需要以下工具：

- ARM GCC, https://launchpad.net/gcc-arm-embedded - 编译和链接
- GNU make, http://www.gnu.org/software/make/ - 构建自动化
- ST link, https://github.com/stlink-org/stlink - 烧写固件

 Mac安装

打开终端，执行：

sh
$ /bin/bash -c "$(curl -fsSL https://raw.githubusercontent.com/Homebrew/install/HEAD/install.sh)"
$ brew install gcc-arm-embedded make stlink


 Linux(Ubuntu)安装

打开终端，执行：

sh
$ sudo apt -y install gcc-arm-none-eabi make stlink-tools


 Windows安装

- 下载并安装 gcc-arm-none-eabi-10.3-2021.10-win32.exe，安装过程注意勾选"Add path to environment variable"。
- 创建 C:\tools 文件夹
- 下载 stlink-1.7.0-x86_64-w64-mingw32.zip，解压 bin/st-flash.exe 到 C:\tools
- 下载 make-4.4-without-guile-w32-bin.zip，解压 bin/make.exe 到 C:\tools
- 添加 C:\tools 到 Path 环境变量
- 验证安装：
  - 下载这个仓库，解压到 C:\
  - 打开命令行，执行：
  
  C:\Users\YOURNAME cd \
  C:\ cd bare-metal-programming-guide-main\step-0-minimal
  C:\bare-metal-programming-guide-main\step-0-minimal make
  arm-none-eabi-gcc main.c  -W -Wall -Wextra -Werror ...
  

 需要的数据手册

- STM32F429 MCU datasheet
- Nucleo-F429ZI board datasheet

 微控制器介绍

微控制器（microcontroller，uC或MCU）是一个小计算机，典型地包含CPU、RAM、存储固件代码的Flash，以及一些引脚。其中一些引脚为MCU供电，通常被标记为VCC和GND。其他引脚通过高低电压来与MCU通信，最简单的通信方法之一就是把一个LED接在引脚上：LED一端接地，另一端串接一个限流电阻，然后接到MCU信号引脚。在固件代码中设置引脚电压的高低就可以使LED闪烁：



 存储和寄存器

MCU的32位地址空间按区分割。例如，一些存储区被映射到特定的地址，这里是MCU的片内flash，固件代码指令在这些存储区读和执行。另一些区是RAM，也被映射到特定的地址，我们可以读或写任意值到RAM区。

从STM32F429数据手册的2.3.1节，我们可以了解到RAM区从地址0x20000000开始，共有192KB。从2.4节我们可以了解到flash被映射到0x08000000，共2MB，所以flash和RAM的位置像这样：



从数据手册中我们也可以看到还有很多其它存储区，它们的地址在2.3节"Memory Map"给出，例如："GPIOA"区从地址0x40020000开始，长度为1KB。

这些存储区被关联到MCU芯片内部不同的外设电路上，以特殊的方式控制外设引脚的行为。一个外设存储区是一些32位寄存器的集合，每个寄存器有4字节的空间，在特定的地址，控制着外设的特定功能。通过向寄存器写入值，或者说向特定的地址写一个32位的值，我们就可以控制外设的行为。通过读寄存器的值，我们就可以得到外设的数据或配置。

MCU通常有许多不同的外设，其中比较简单的就是GPIO（General Purpose Input Output，通用输入输出），它允许用户将MCU引脚设为输出模式，然后置“高”或置“低”；或者设置为输入模式，然后读引脚电压的“高”或“低”。还有UART外设，可以使用串行协议通过两个引脚收发数据。还有许多其它外设。

在MCU中，一个相同外设通常会有多个“实例”，比如GPIOA、GPIOB等等，它们控制着MCU引脚的不同集合。类似地，也有UART1、UART2等等，可以实现多通道。在Nucleo-F429上，有多个GPIO和UART外设。

例如，GPIOA外设起始地址为0x40020000，我们可以从数据手册8.4节找到GPIO寄存器的描述，上面说 GPIOA_MODER 寄存器偏移为0，意味着它的地址是 0x40020000 + 0，寄存器地址格式如下：



数据手册显示MODER这个32位寄存器是由16个2位的值组成。因此，一个MODER寄存器控制16个物理引脚，0-1位控制引脚0，2-3位控制引脚1，以此类推。这个2位的值编码了引脚模式：'00'代表输入，'01'代表输出，'10'代表替代功能——在其它部分进行描述，'11'代表模拟引脚。因为这个外设命名为'GPIOA'，所以对应引脚名为'A0'、'A1'，等等。对于外设'GPIOB'，引脚则对应叫'B0'、'B1'，等等。

如果我们向MODER寄存器写入32位的值'0'，就会把从A0到A15这16个引脚设为输入模式：

c
   (volatile uint32_t ) (0x40020000 + 0) = 0;  // Set A0-A15 to input mode


通过设置独立的位，我们就可以把