2в. STM8: восьмибитный родственник — что взять, а что нет

Разделы 2–2б — о 32-битных STM32. У ST есть и восьмибитное семейство — STM8: STM8S для обычных задач и STM8L для батарейных. Периферию у него и у STM32 делали из одних блоков, поэтому STM8 выглядит знакомо, но ядро другое — восьмибитное, со своими командами. Здесь — чем STM8 похож на STM32, чем нет, и что это значит в коде: одно и то же мигание и одна и та же арифметика собраны для обоих ядер и сравнены по листингам.

Опоры: даташит STM8S105 (DocID14771), заметка ST AN2945 о переходе между STM8S и STM32, заголовок библиотеки ST для STM8L15x (stm8l15x.h, V1.5.0), файлы описания STM8 в OpenOCD, даташит STM32F103 (DocID13587) из пака Keil. STM8 собран компилятором SDCC 4.2 в Docker-образе stm-sdcc:1, F103 — armclang. Симулятора STM8 в образе нет, платы тоже: всё сверено по листингам и документам.

Как это называется в документации

Оригинал	Перевод
accumulator (A)	аккумулятор: восьмибитный регистр для арифметики
index registers X, Y	индексные регистры по 16 бит
condition code register (CC)	регистр флагов
SWIM — single wire interface module	однопроводной интерфейс отладки и прошивки
ICP / IAP	прошивка через SWIM / из своей программы
option bytes	байты настроек (защита, загрузчик, переназначение выводов)
data EEPROM	EEPROM для данных внутри кристалла
ROP — read-out protection	защита от чтения

2в.1 STM8 рядом с STM32

AN2945 сравнивает ядро STM8 с Cortex-M3 в первом поколении STM32 (таблица 1):

По Dhrystone STM8 в 4,2 раза слабее, предельная частота — втрое ниже. Зато код такой же плотный, а прерывание начинается на три такта раньше. Периферия общая по устройству: в AN2945 регистры SPI у STM8S и STM32 почти совпадают по именам и битам, отличаются ширина регистров, DMA и частности вроде портов. Кто знает таймеры и SPI у STM32 (разделы 13 и 18), быстро разберётся и в STM8.

2в.2 Ядро: A, X, Y и 24-битный счётчик команд

По даташиту STM8S105 (п. 4.1) у ядра шесть регистров:

• A — восьмибитный аккумулятор, через него идёт арифметика;
• X и Y — индексные регистры по 16 бит, они же пара для 16-битных чисел;
• SP — указатель стека, 16 бит;
• PC — счётчик команд, 24 бита: адресное пространство 16 МБ;
• CC — флаги, 8 бит, из них 7 флагов: 5 флагов результата и 2 бита маски прерываний.

80 команд, 20 способов адресации, 8 × 8 умножение и деление 16 на 8 и 16 на 16 бит. Для сравнения: у Cortex-M3 шестнадцать 32-битных регистров (раздел 1.3), а умножение у F103, по его даташиту, занимает один такт.

В листинге SDCC видно, как компилятор раскладывает числа по этим регистрам. 16-битная сумма: первый аргумент приходит в X, второй — в стеке:

_add16:
  000000  72 FB 03  [2]  addw x, (0x03, sp)
  000003  90 85     [2]  popw y
  000005  5B 02     [2]  addw sp, #2
  000007  90 FC     [2]  jp (y)

Результат остаётся в X. Три последние команды — возврат: функция сама снимает свой аргумент со стека (достаёт адрес возврата в Y, сдвигает SP и прыгает по Y). В скобках — такты команды, их печатает ассемблер SDCC. 32-битная сумма лежит в паре Y:X — младшее слово в X, старшее в Y; перенос между ними — условный переход jrnc и команда incw y.

У SDCC для STM8 int — 2 байта, long — 4, указатель — 2 байта; это подтверждает _Static_assert в опыте. Как у AVR (раздел 80): выражение 1000 * 60 в int уже переполняется.

2в.3 Память и такт после сброса

Карта памяти STM8S105 (даташит, рисунок карты и таблица 7):

Регистры ядра видны отладчику по адресам: A — 0x7F00, SP — 0x7F08 и 0x7F09. После сброса SP = 0x07FF — вершина ОЗУ, поэтому стартовому коду не нужно ставить стек. EEPROM выдерживает 300 тыс. циклов записи (даташит) — у F103 отдельной EEPROM нет, в описании пака у F103C8 только Flash и ОЗУ.

Другие камни — по файлам на диске:

У старших STM8L Flash выходит за 0xFFFF — вот зачем 24-битный счётчик команд. Указатель в SDCC при этом 2 байта: данные за 64 КБ так не достать.

Такт после сброса у STM8S и STM8L одинаковый — HSI 16 МГц, делённый на 8, то есть 2 МГц, — но регистр делителя в разных местах:

Порты у обоих без отдельного такта: включать нечего, в отличие от STM32 (раздел 8.4). Адреса портов совпадают — порт B с 0x5005 и там и там.

2в.4 Мигание по регистрам: SDCC против armclang

Библиотека ST для STM8 к SDCC не подходит: stm8l15x.h знает только компиляторы Cosmic, Raisonance и IAR, а на остальных останавливает сборку строкой #error "Unsupported Compiler!". Поэтому адреса — свои, из даташита STM8S105 (таблицы 8 и 9). Светодиод — на PB5:

#define PB_ODR     (*(volatile uint8_t *)0x5005)
#define PB_DDR     (*(volatile uint8_t *)0x5007)
#define PB_CR1     (*(volatile uint8_t *)0x5008)
#define PB_CR2     (*(volatile uint8_t *)0x5009)
#define CLK_CKDIVR (*(volatile uint8_t *)0x50C6)

#define LED (1u << 5)                   /* светодиод на PB5 */

void clock_16mhz(void)
{
    CLK_CKDIVR = 0x00;                  /* после сброса 0x18: HSI / 8 = 2 МГц */
}

void led_init(void)
{
    PB_DDR |= LED;                      /* выход */
    PB_CR1 |= LED;                      /* двухтактный */
    PB_CR2 &= (uint8_t)~LED;            /* медленный фронт */
}

void led_toggle(void)
{
    PB_ODR ^= LED;
}

Сборка — sdcc -mstm8 --std-c11 blink_stm8.c, без предупреждений. Листинг .rst после компоновки:

_led_init:
  008029  72 1A 50 07  [1]  bset 0x5007, #5
  00802D  72 1A 50 08  [1]  bset 0x5008, #5
  008031  72 1B 50 09  [1]  bres 0x5009, #5
  008035  81           [4]  ret
_led_toggle:
  008036  90 1A 50 05  [1]  bcpl 0x5005, #5
  00803A  81           [4]  ret

Каждое |=, &= ~ и ^= стало одной командой над битом прямо в памяти: bset, bres, bcpl. Прерывание не может вклиниться между чтением и записью — это одна команда. У F103 для того же нужен BSRR или bit-banding (разделы 8.2 и 1.5). Тот же led_toggle у armclang:

led_toggle:
  f640400c  MOV r0,#0xc0c
  f2c40001  MOVT r0,#0x4001
  6801  LDR r1,[r0,#0]
  f0810120  EOR r1,r1,#0x20
  6001  STR r1,[r0,#0]
  4770  BX lr

Два 32-битных слова уходят только на то, чтобы собрать адрес 0x4001 0C0C (GPIOB->ODR), дальше — чтение, «исключающее или», запись. Итог по функциям и образу целиком:

Образ STM8: вектор сброса и переход на main — 7 байт, обнуление и копирование данных — 26, переход к запуску — 3, код — 53. Вектор сброса — 82 00 80 07: команда int и 24-битный адрес. SDCC пишет в таблицу только используемые векторы. Образ F103 собран со стартовым файлом пака Keil и microlib; в нём 236 байт таблицы векторов. На 8 КБ STM8S103 мигание — это 89 байт, на 64 КБ F103 — 456: разница заметна только на самых маленьких камнях.

2в.5 Арифметика по листингам

Один исходник arith.c собран обоими компиляторами. Модель на ПК (stm8_2c.py) считает по листингам команды и байты, а у STM8 — и сумму тактов из квадратных скобок. У fromelf тактов в листинге нет. Всё вместе с возвратом из функции; где STM8 зовёт библиотеку, её подпрограмма собрана из исходников SDCC и прибавлена:

• Сложение. 16 бит — родная ширина пары X, одна команда addw. 32 бита — два сложения и перенос.
• 8 × 8 — одна команда mul x, a (4 такта по листингу).
• 16 × 16 — вызов __mulint: 19 команд, внутри три mul x, a.
• 32 × 32 — вызов __mullong: 75 команд, 124 байта, десять mul x, a, 149 тактов вместе с подготовкой аргументов. У Cortex-M3 — одна MULS.
• Приведение до умножения. (uint16_t)a * b вместо a * b делает из 8 × 8 умножение 16 × 16: 6 команд превращаются в 32 с вызовом __mulint, хотя результат тот же.

Вывод: на STM8 держите данные в 8 и 16 битах. Каждый uint32_t и тем более float — вызов библиотеки.

2в.6 Отладка, прошивка и когда STM8 уместен

SWIM. Один провод данных вместо двух у SWD: у STM8S105 это вывод PD1. По даташиту SWIM работает во всех режимах камня, передаёт до 145 байт в миллисекунду; модуль отладки даёт программные точки останова на любой команде и две сложные. Протокол описан в UM0470. Программатор — ST-LINK: в OpenOCD STM8 подключается только через SWIM (transport select swim), а сетевой ST-Link-сервер SWIM не поддерживает (руководство OpenOCD). Для STM8S103 в OpenOCD готов файл: Flash 8 КБ, блок записи 64 байта.

Защита и загрузчик. Защита чтения включается байтом ROP = 0xAA и меняется только через SWIM; любая попытка её снять стирает Flash и EEPROM. Вывода BOOT0, как у STM32 (раздел 4.9), нет: загрузочное ПЗУ после сброса смотрит байты 0x487E, 0x487F и вектор сброса и само решает, идти ли в загрузчик.

Среда. ST даёт STVD и программатор STVP; в даташите 2010 года бесплатные Cosmic и Raisonance ограничены 16 КБ кода. SDCC — без ограничений, но без библиотеки ST: регистры описываете сами, как в 2в.4. CubeMX, HAL и LL для STM8 нет — всё это только у STM32.

Когда STM8 уместен:

• питание 5 В: STM8S105 работает от 2,95 до 5,5 В, F103 — от 2,0 до 3,6 В;
• нужна настоящая EEPROM на 300 тыс. циклов, а не запись во Flash;
• задача мала: опрос кнопок, реле, простой ШИМ, UART — хватает 8 КБ Flash STM8S103 или 32 КБ и 2 КБ ОЗУ STM8S105, а камень самый простой;
• продолжение старого изделия на STM8: AN2945 прямо предлагает переход в обе стороны.

Когда нет:

• 32-битная арифметика, фильтры, плавающая точка — см. 2в.5;
• нужны USB, Ethernet, много ОЗУ, RTOS;
• новый проект без ограничений по питанию: у STM32 одна среда, HAL и примеры на всё семейство, у STM8 — старая библиотека 2011 года и компиляторы по отдельности.

Цен на диске нет, поэтому сравнения по цене здесь нет: её смотрят у поставщика на момент заказа (раздел 2.5).

2в.7 Грабли

Код с STM8S не заводит такт на STM8L. Адреса портов общие, а CLK_CKDIVR у S — 0x50C6, у L — 0x50C0. Запись по чужому адресу попадает в другой регистр.

На STM8L молчит таймер или UART. После сброса CLK_PCKENR1 = 0x00 — такт периферии выключен, в отличие от STM8S (0xFF). Порты при этом работают: у них отдельного такта нет.

Библиотека ST не собирается в SDCC. stm8l15x.h понимает только Cosmic, Raisonance и IAR: #error "Unsupported Compiler!". Для SDCC — свои определения регистров из даташита.

Лишнее приведение типа. (uint16_t)a * b для двух uint8_t — вызов __mulint вместо одной команды mul: 32 команды вместо 6.

int на 16 бит. 1000 * 60 переполняется, счётчики миллисекунд в int заканчиваются на 32 767. Берите uint32_t там, где это правда нужно, и помните, что это вызов библиотеки при умножении.

Защита чтения стирает всё. Снять ROP без стирания Flash и EEPROM нельзя — данные в EEPROM тоже пропадут.

2в.8 Итоги

• STM8 — восьмибитное CISC-ядро: A 8 бит, X и Y по 16, PC 24 бита; по AN2945 — 0,29 против 1,22 по Dhrystone и 9 тактов до прерывания против 12 у Cortex-M3.
• STM8S105: до 16 МГц, 32 КБ Flash, 2 КБ ОЗУ, 1 КБ EEPROM, питание 2,95–5,5 В; после сброса 2 МГц (HSI / 8), SP = 0x07FF.
• Порты у STM8S и STM8L по одним адресам и без такта; делитель такта и включение периферии — разные.
• Мигание: bset, bres, bcpl — одна команда на бит; led_toggle 2 команды и 5 байт против 6 и 18 у F103; образ 89 байт против 456.
• Арифметика: 16-битное сложение — 4 команды, 32 × 32 — 86 команд и 149 тактов с __mullong против одной MULS.
• Отладка — SWIM по одному проводу; загрузчик выбирают байтами настроек, а не выводом.

Полные исходники

blink_stm8.c — мигание светодиодом на STM8S по регистрам, сборка SDCC.

/* Раздел 2в: мигание светодиодом на STM8S по регистрам, компилятор SDCC.
   Адреса — даташит STM8S105 (DocID14771): таблица 8 (порты) и таблица 9 (CLK). */
#include <stdint.h>

_Static_assert(sizeof(int) == 2 && sizeof(long) == 4 && sizeof(void *) == 2,
               "SDCC для STM8: int 2 байта, long 4, указатель 2");

#define PB_ODR     (*(volatile uint8_t *)0x5005)
#define PB_DDR     (*(volatile uint8_t *)0x5007)
#define PB_CR1     (*(volatile uint8_t *)0x5008)
#define PB_CR2     (*(volatile uint8_t *)0x5009)
#define CLK_CKDIVR (*(volatile uint8_t *)0x50C6)

#define LED (1u << 5)                   /* светодиод на PB5 */

void clock_16mhz(void)
{
    CLK_CKDIVR = 0x00;                  /* после сброса 0x18: HSI / 8 = 2 МГц */
}

void led_init(void)
{
    PB_DDR |= LED;                      /* выход */
    PB_CR1 |= LED;                      /* двухтактный */
    PB_CR2 &= (uint8_t)~LED;            /* медленный фронт */
}

void led_toggle(void)
{
    PB_ODR ^= LED;
}

static void delay(uint16_t n)
{
    while (n--) {
        __asm__("nop");
    }
}

void main(void)
{
    clock_16mhz();
    led_init();
    for (;;) {
        led_toggle();
        delay(50000u);
    }
}

blink_f103.c — то же мигание на STM32F103 через CMSIS, сборка armclang.

/* Раздел 2в: то же мигание на STM32F103 по регистрам CMSIS, компилятор armclang. */
#include "stm32f10x.h"

#define LED (1u << 5)                   /* светодиод на PB5 */

void led_init(void)
{
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPBEN;                     /* у STM32 порту нужен такт */
    GPIOB->CRL = (GPIOB->CRL & ~(0xFu << 20)) | (0x2u << 20); /* PB5: выход 2 МГц, двухтактный */
}

void led_toggle(void)
{
    GPIOB->ODR ^= LED;
}

static void delay(uint32_t n)
{
    while (n--) {
        __asm volatile("nop");
    }
}

int main(void)
{
    led_init();
    for (;;) {
        led_toggle();
        delay(50000u);
    }
}

Дальше: раздел 2г «Миландр К1986ВЕ92: отечественный Cortex-M3 рядом с STM32» — чем отечественный камень на знакомом ядре отличается от F103 и что переносится без правок.