0ж. Первый вечер: что купить, как поставить среду и помигать светодиодом — пошагово для того, кто ни разу не прошивал

Раздел 0е научил читать числа вроде 0x40021018. Этот раздел — про руки. Здесь нет теории, только один вечер и одна цель: светодиод на плате мигает по программе, которую вы сами собрали и сами записали в плату.

Записать программу в плату называют «прошить», а саму программу — «прошивкой». Паяльник не нужен, опыт тоже. Нужны плата, маленький переходник для прошивки и четыре провода. После этого вечера маршрут новичка (0а) читается уже с платой на столе, а не в уме.

Всё, что сказано про проект, проверено: проект создан той же программой STM32CubeMX 6.18.1, которой будете пользоваться вы, собран теми же ключами, что ставит STM32CubeIDE, и запущен в эмуляторе — программе, которая притворяется микроконтроллером. Живой платы в опытах не было.

Опоры: 0.2 — что купить на старт; 2а — подделки; 4б — что внутри STM32CubeIDE; 8.4 — та же мигалка, но без библиотеки, на регистрах.

Как это называется в документации

Оригинал	Перевод
firmware	прошивка: готовая программа для микроконтроллера
debug probe, ST-Link	программатор-отладчик: переходник между компьютером и платой
SWD (Serial Wire Debug), SWDIO, SWCLK	отладка по двум проводам: провод данных и провод такта
GPIO Output	вывод общего назначения, настроенный как выход
IDE, toolchain	среда разработки; набор программ для сборки
workspace	рабочее пространство: папка с настройками среды
Build, Run	собрать; записать в плату и запустить
breadboard, jumper	макетная плата («макетка»); перемычка

0ж.1 Что купить

На этот вечер нужны только первые три строки. Остальное пригодится на следующих шагах маршрута, и его удобно купить сразу, в один заказ.

Почему 220 Ом. Красный светодиод, подключённый к выводу 3,3 В через резистор, берёт ток, который зависит от резистора. Расчёт — в 49.3: на выводе теряется около 0,4 В, на светодиоде 2,0 В, на резистор остаётся 0,9 В. С резистором 220 Ом ток выходит 4,09 мА: светодиод светит хорошо, а вывод не перегружен. С 110 Ом — 8,18 мА, с 1 кОм — 0,90 мА: горит тускло, но горит. Сколько выдерживает вывод — в 49.7.

BluePill или BlackPill. BlackPill — плата того же размера на другом камне, STM32F411 или STM32F401 (2ж). Светодиод у неё тоже на выводе PC13 и тоже горит при нуле (2ж.1), а прошить её можно и без ST-Link, по кабелю USB (2ж.4). Но весь этот раздел написан для BluePill: если купили BlackPill, в 0ж.4 выбирайте её камень, остальное то же.

Как не нарваться на подделку. Дешёвая BluePill может нести не STM32, а похожий камень другого производителя или перемаркированный. Для мигалки это почти никогда не важно. Если же программа для прошивки ругается на «не тот» камень или плата ведёт себя странно — откройте раздел 2а «Клоны и подделки STM32: как отличить». В нём три случая — оригинал, честный клон под своей маркой и подделка — и как их различить программой, отладчиком и глазами. Например, отладчик у настоящего F103 читает код 0x1BA01477, а у клона CS32F103 — 0x2BA01477 (2а.6).

0ж.2 Среда: две программы и драйвер

Среда разработки — это набор программ, в котором пишут, собирают и прошивают. Собрать — значит перевести текст программы на языке C в команды, которые понимает процессор. Делает это компилятор: он внутри среды, отдельно его ставить не надо.

Ставим две программы ST, обе бесплатные:

• STM32CubeMX — настраивает выводы мышкой и создаёт проект;
• STM32CubeIDE — среда: редактор, компилятор и прошивка в одном окне.

Раньше вторая включала в себя первую. С версии 2.0 это две отдельные программы (4б), поэтому и ставим две.

По шагам:

1. На сайте st.com найти страницы STM32CubeMX и STM32CubeIDE и скачать установщики для своей системы. Обе работают на Windows, Linux и macOS.
2. Поставить обе программы, соглашаясь со всем, что предложено по умолчанию.
3. Драйвер ST-Link (только Windows). Драйвер — маленькая программа, которая учит Windows разговаривать с устройством. Для ST-Link это пакет STSW-LINK009. Если установщик CubeIDE предложит поставить драйверы ST-Link — соглашайтесь. Если нет — пакет скачивается с сайта ST отдельно под этим именем; он же входит в программу STM32CubeProgrammer (папка Drivers\stsw-link009_v3). В его инструкции сказано главное: ставить от имени администратора до того, как ST-Link вставлен в компьютер.
4. Первый запуск CubeIDE спросит, где держать рабочее пространство (workspace). Это папка с настройками самой среды (4б.1); соглашайтесь с предложенной.
5. Первый проект в CubeMX потребует пакет библиотек для серии F1 — STM32Cube FW_F1. Программа предложит скачать его сама; нужен интернет. В этом разделе проект создан с пакетом V1.8.7.

0ж.3 Провода: ST-Link к плате

Программатор говорит с камнем по двум проводам — это и есть SWD. Ещё два провода нужны для питания и для земли. Итого четыре.

Четыре правила, и всё заработает:

• Соединяйте по надписям, а не по месту. У разных ST-Link штырьки стоят в разном порядке; на корпусе напечатано, какой из них что. Подписи сокращают: SWDIO пишут как DIO или IO, SWCLK — как CLK.
• Земля обязательна. Напряжение — это всегда разница между двумя точками. Без общей земли сигналам платы и ST-Link не с чем сравниться.
• Один источник питания. Плата питается по проводу 3,3 В от ST-Link; кабель USB к самой плате сегодня не нужен.
• Перемычки BOOT0 и BOOT1 — обе на 0. Это два маленьких колпачка рядом с кнопкой сброса. При BOOT0 = 0 камень после включения запускает вашу программу из Flash — памяти, которая не стирается при выключении. При BOOT0 = 1 он запускает заводской загрузчик, а не её (4.9). Пригодится в 0ж.7.

Соединяйте, пока ST-Link вынут из компьютера, и только потом вставляйте его в порт USB.

0ж.4 Первый проект: настроить вывод в CubeMX

Микроконтроллер — маленький компьютер в одном корпусе. Его ножки называются выводами. Вывод можно сделать входом (читать кнопку) или выходом (зажигать светодиод). Светодиод BluePill подключён к выводу PC13: порт C, вывод номер 13. Значит, PC13 надо сделать выходом.

В STM32CubeMX:

1. File → New Project. Во вкладке выбора камня (MCU/MPU Selector) набрать STM32F103C8, выбрать в списке STM32F103C8Tx и подтвердить. На экране появится картинка корпуса с выводами по краям.
2. Вывод. Щёлкнуть правой кнопкой по выводу PC13 на картинке и выбрать GPIO_Output.
3. Отладка. Слева, в списке блоков, открыть SYS и в поле Debug выбрать Serial Wire. Это самый важный шаг вечера, и ниже сказано почему.
4. Project Manager. Имя проекта — blink, в поле Toolchain/IDE — STM32CubeIDE.
5. GENERATE CODE. После генерации CubeMX предложит открыть проект; кнопка Open Project откроет его в CubeIDE. Если ничего не открылось, значит, файлы проекта не связаны с CubeIDE (4б.11): тогда в CubeIDE File → Import → Existing Projects into Workspace и папка STM32CubeIDE внутри проекта.

Частоту не трогаем. По умолчанию камень работает от внутреннего генератора на 8 МГц: восемь миллионов тактов в секунду. Для мигалки хватает с запасом.

Почему шаг 3 так важен. Без него в поле Debug остаётся No Debug. CubeMX понимает это буквально и пишет в проект строку, которая выключает выводы отладки: __HAL_AFIO_REMAP_SWJ_DISABLE();. Программа запустится, и с этой секунды ST-Link перестанет видеть камень: следующая прошивка не пройдёт. С Serial Wire на том же месте стоит __HAL_AFIO_REMAP_SWJ_NOJTAG(); — отладка по SWD остаётся включённой. Проверено так: проект создан дважды, с Serial Wire и без, и других отличий в коде, кроме этой строки и включения порта A, нет. Как вернуть плату, если шаг уже пропущен, — в 0ж.7.

Что CubeMX положил в папку проекта: Core/Src/main.c — главный файл, с ним мы и будем работать; рядом ещё пять файлов настройки; в Drivers — библиотека HAL, 11 файлов на C. HAL — библиотека ST, в которой у каждого действия с железом есть понятное имя функции.

0ж.5 Две строки кода, сборка и прошивка

Откройте Core/Src/main.c. Программа начинается с функции main — с неё камень начинает работу после включения. CubeMX уже написал её начало:

int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();

Здесь пропущены пустые строки и комментарии. Три вызова по порядку:

• HAL_Init() — готовит библиотеку и запускает часы по миллисекундам;
• SystemClock_Config() — выбирает частоту: те самые 8 МГц;
• MX_GPIO_Init() — делает PC13 выходом, как вы задали мышкой. Первым делом он пишет на вывод 0, а светодиод BluePill горит именно от нуля: он включён между питанием и выводом (8.4). Так что светодиод загорается ещё до вашего кода.

Ниже — бесконечный цикл. Добавьте в него две строки — между комментариями USER CODE BEGIN 3 и USER CODE END 3:

  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
    HAL_Delay(500);
  }
  /* USER CODE END 3 */

Что значит каждая строка:

• while (1) — «повторять, пока условие верно». Единица верна всегда, значит — вечно. У микроконтроллера нет «выхода из программы»: он крутит цикл, пока есть питание.
• /* USER CODE BEGIN 3 */ и /* USER CODE END 3 */ — заборчик. Всё, что между ними, CubeMX сохранит, если проект придётся сгенерировать заново. Всё, что вне заборчиков, он перепишет (4.7).
• HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13); — «переключи вывод 13 порта C»: был 0 — станет 1, была 1 — станет 0. GPIOC — это адрес порта C в памяти камня, 0x40011000. GPIO_PIN_13 — число 0x2000, в котором стоит ровно один бит, тринадцатый: так библиотека говорит, какой вывод из шестнадцати имеется в виду. Как читать такие числа — в 0е.
• HAL_Delay(500); — подождать 500 миллисекунд, то есть полсекунды. Внутри она считает тики — короткие прерывания от встроенного таймера SysTick. Таймер отсчитывает 8000 тактов, это ровно 1 мс при 8 МГц, и сообщает «прошла миллисекунда». Библиотека добавляет к паузе ещё один тик для надёжности, поэтому на деле пауза — 501 мс.
• Точка с запятой заканчивает каждую команду, фигурные скобки собирают команды в группу. Это всё, что нужно знать о C на сегодня; остальное — в разделе 3.

Собрать. В CubeIDE: Project → Build Project. Внизу, в окне Console, появятся строки компилятора, а в конце — сколько памяти заняла прошивка:

Memory region         Used Size  Region Size  %age Used
             RAM:        1584 B        20 KB      7.73%
           FLASH:        4884 B        64 KB      7.45%

FLASH — постоянная память, в ней живёт программа: 4884 байта из 64 КБ. RAM — оперативная память для переменных: 1584 байта из 20 КБ. Почти всё это — запас под стек и кучу, рабочие черновики программы: 1540 байт, которые среда держит свободными заранее; настоящих переменных — 44 байта. Если у вас цифры чуть другие — ничего страшного: они зависят от версии компилятора.

Прошить и запустить. Run → Run As → STM32 C/C++ Application, в окне настройки — OK. Среда соберёт проект, запишет его через ST-Link и запустит. Первое же переключение в цикле погасит светодиод, зажжённый в MX_GPIO_Init, через полсекунды он загорится, ещё через полсекунды погаснет — и так, пока есть питание.

Как это выглядит изнутри, видно в эмуляторе: вызовы HAL_GPIO_TogglePin приходятся на 0, 501, 1002, 1503 и 2004-й тик. Шаг — 501 мс; полный цикл «горит — погашен» — 1002 мс, то есть вспышка раз в секунду.

0ж.6 Первое своё изменение: мигать быстрее

Программа — это ваш текст, и его можно менять. Первое изменение — одно число. Замените 500 на 100:

    HAL_Delay(100);

Снова Run → Run As → STM32 C/C++ Application (среда сама пересоберёт проект). Теперь светодиод мигает быстрее: в эмуляторе переключения идут на 0, 101, 202, 303 и 404-м тике. Шаг — 101 мс, полный цикл — 202 мс, это 4,95 вспышки в секунду, почти пять. Прошивка стала короче на 4 байта: 4880 вместо 4884.

Попробуйте сами другие числа: с 1000 полный цикл — 2002 мс, вспышка раз в две секунды; с 50 — часто. Каждый раз проверяйте, что новое число стоит между USER CODE BEGIN 3 и USER CODE END 3.

Это и есть разработка встраиваемых систем в миниатюре: изменили текст, собрали, прошили, посмотрели на железо. Всё остальное в справочнике — тот же цикл, только с задачами посложнее. Та же мигалка без библиотеки HAL, прямо записью в регистры, — в 8.4: после разделов 1, 3 и 3а она будет читаться так же легко, как эти две строки.

0ж.7 Грабли

Если не прошивается, идите по пунктам по порядку: от компьютера к плате. Начинайте с первого, даже если кажется, что дело не в нём.

1. Компьютер не видит ST-Link. Нет драйвера или кабель без линий данных (есть кабели «только для зарядки»). Программа STM32CubeProgrammer в этом случае пишет No ST-Link detected!. Поставьте драйвер (0ж.2), выньте и снова вставьте ST-Link, попробуйте другой порт.

2. ST-Link виден, камень — нет. Это и есть «target not found»: среда сообщает, что не нашла камень. В STM32CubeProgrammer та же беда пишется No STM32 target found!. Первым делом — питание: провод 3,3 В на месте и сидит в гнезде плотно?

3. Перепутаны SWDIO и SWCLK. Самая частая пара ошибок (200.5). Сверьте провода 2 и 3 с надписями на корпусе ST-Link и на плате.

4. Нет общей земли. Провод 4 забыт или вставлен не туда. Без земли ни один сигнал не читается (95.9).

5. Первая прошивка прошла, вторая — нет. Пропущен шаг 3 в 0ж.4: в проекте осталось No Debug, и программа выключила выводы отладки. Плата не сломана. Переставьте перемычку BOOT0 в 1 и нажмите кнопку сброса: камень запустит заводской загрузчик, а не вашу программу, и выводы отладки снова свободны (4.9). Поставьте в CubeMX Serial Wire, сгенерируйте проект, прошейте, верните BOOT0 в 0 и нажмите сброс.

6. Прошилось, но программа не работает после сброса. Перемычка BOOT0 осталась в 1: камень каждый раз запускает загрузчик вместо вашей программы. Верните её в 0.

7. Светодиод горит ровно и не мигает. Прошивка дошла: светодиод зажёг MX_GPIO_Init. А двух строк в ней нет: либо файл не сохранён и проект не пересобран, либо строки стояли вне заборчика и новая генерация их стёрла. Проверьте main.c и соберите заново.

8. Плата отвечает, но «не тем» камнем или ведёт себя странно. Возможно, на плате клон или подделка. Это раздел 2а; на первом шаге он подскажет, как это узнать.

Если ничего не помогло — в разделе 4 есть таблица симптомов ST-Link (4.5), а в разделе 36 — общий порядок поиска неисправности.

0ж.8 Итоги

• На первый вечер нужны три покупки: плата BluePill, ST-Link и провода «мама–мама»; с резистором 220 Ом светодиод от вывода 3,3 В берёт 4,09 мА.
• Среда — две программы ST: STM32CubeMX настраивает выводы, STM32CubeIDE собирает и прошивает. На Windows ещё драйвер ST-Link, до того как вставить сам ST-Link.
• Проводов четыре: 3,3 В, SWDIO (PA13), SWCLK (PA14), GND. Перемычки BOOT0 и BOOT1 — на 0.
• В CubeMX две настройки: PC13 — GPIO_Output, SYS Debug — Serial Wire. Без второй прошивка выключит отладку строкой __HAL_AFIO_REMAP_SWJ_DISABLE();.
• Своего кода — две строки: HAL_GPIO_TogglePin и HAL_Delay(500). Прошивка — 4884 байта Flash из 64 КБ и 1584 байта ОЗУ из 20 КБ.
• HAL_Delay(500) ждёт 501 тик по 1 мс: светодиод мигает раз в секунду. HAL_Delay(100) — 101 тик и 4,95 вспышки в секунду.
• Не прошивается — восемь пунктов 0ж.7 по порядку, от компьютера к плате.

Проверь себя

1. Зачем в CubeMX в разделе SYS поле Debug ставят в Serial Wire? - А) Без этой настройки прошивка сама выключит отладку, и ST-Link перестанет видеть камень - Б) Чтобы светодиод мигал быстрее - В) Чтобы включить консоль UART - Г) Это настройка частоты камня
2. Свои строки вписали в main.c вне комментариев USER CODE BEGIN и USER CODE END. Чем это грозит? - А) Программа не соберётся - Б) Светодиод будет мигать медленнее - В) Ничем: эти комментарии — просто украшение - Г) При новой генерации проекта CubeMX перепишет всё, что вне этих заборчиков, и строки пропадут
3. Перемычка BOOT0 стоит на 1. Что запустит камень после включения? - А) Вашу программу из Flash - Б) Заводской загрузчик, а не вашу программу - В) Ничего: камень не включится - Г) Вашу программу, но без отладки

Проверь себя: ответы - 1 — А. Почему: Без Serial Wire CubeMX вставит строку __HAL_AFIO_REMAP_SWJ_DISABLE();, и следующая прошивка не пройдёт (0ж.4). - 2 — Г. Почему: Код между USER CODE BEGIN и USER CODE END CubeMX сохраняет при перегенерации, а всё вне их переписывает (0ж.5). - 3 — Б. Почему: При BOOT0 = 0 камень запускает программу из Flash, при BOOT0 = 1 — заводской загрузчик, поэтому на первый вечер обе перемычки ставят на 0 (0ж.3).

Что дальше. Плата мигает — пора узнать, что происходит внутри. Маршрут новичка — раздел 0а «Маршрут новичка: двадцать разделов по порядку»; его этап 1 (0а.2) — пять разделов, и каждый теперь можно примерить к своей мигалке:

• 1 «Микроконтроллер как таковой» — что такое ядро, память и порт C, куда вы только что писали;
• 3 «Язык C для встраиваемых систем» — что такое volatile и указатель на регистр;
• 3а «Битовые операции» — как устроено число 0x2000 и почему в нём один бит;
• 4 «Инструментарий» — что ещё бывает, кроме CubeIDE, и три способа прошить плату;
• 5 «Три уровня абстракции: CMSIS, HAL и LL» — чем HAL_GPIO_TogglePin отличается от записи в регистр.

На девятом шаге маршрута — раздел 8 «Порты ввода-вывода (GPIO)»: там вы снова встретите PC13, теперь уже изнутри.

Дальше: раздел 1 «Микроконтроллер как таковой» — что лежит внутри кристалла: ядро, память, периферия — и почему без этого всё дальнейшее придётся принимать на веру.