搭建基于 STM32 和 rt-thread 的开发平台

我们需要平台

如果说，SharePoint 的价值之一在于提供了几乎开箱即用的 innovation 环境，那么，智能设备的开发平台也一样。不必每次都从头开始，所以需要固定的工作室和开发平台作为创新的起点，这样就会每次比从零开始“高一点点”。

当然，这里不是没有纠结的。平台毕竟不是最终的产品，平台太弱固然难以支撑创新，但平台太强则臃肿和僵化同样也会限制创新：面对成百上千的类型、接口的时候，即使做一个小玩意儿也要学上一年半载，任何人都会畏惧的。有那个时间，不如自己写一个出来了。所以成功的开发平台如 jQuey 和 jQuery UI 是拆开的，Bootstrap 是可以按模块自定义下载的。

与 SharePoint 在企业协作领域的一家独大不同，智能控制设备的平台可谓五花八门，这就有点儿像 python 世界的 web framework。看似很繁荣，但是缺少标准，哪个都难以让人下决心深入钻研（貌似现在有往 django 靠拢的趋势，这是件好事）。所以，在试过了网上各种开发板以后，Jony 下了决心要搭建自己的开发平台，满足自己的实际需要。

在这里，我想起来《西游记》里面的故事：孙悟空学艺归来回到花果山以后，第一件事情就是去找一件称手的兵器，然后几番周折，最终得到了如意金箍棒。认真对待技术的人，搭建自己的开发平台，好像也有点儿这个意思。从这个角度说，《西游记》真的不是一本简单的魔幻现实主义小说。

智能控制设备的开发平台，有 2 个大的技术决策：1，用什么 MCU（微控制器）；2，用什么操作系统。

MCU 为什么是 STM32？

主流的 MCU 阵营有这么几个：

• ST 意法半导体
  便宜、高性能！有固件库可以方便开发，资料多。
  STM32F10x 系列，样片在 10 元左右一个，20K 内存、72MHz 主频、各种外设，已经可以做很多事情了。更吸引人的是，他们家的控制器的固件库有通用性，熟悉了一个产品线的开发之后，比较容易能够切换到其它的产品线。
  说到通用性，所有基于相同核心的 CPU 其实都在某种程度上相通。如手机 ARM 内核。甚至在我看来，只要你是基于时钟（数字脉冲）的、可以通过寄存器读写数据与指令的累加器，都是相通的，当然，实际掌握起来难度也是有的。
• LPC 恩智普
  43xx 系列是双核的控制器！性能那是没话说，高端的 LPC 4370 ADC 采样率是 8千万次/秒，相比之下同是 ARM cortex-m4 内核的 ST F407 系列只有 7百万次/秒。问题就是太 TMD 贵了，性价比不如 ST。
• Freescale 飞思卡尔
  不熟，掠过。
• AVR
  开发烧录程序的时候容易锁住芯片，变态！而且贵，真的贵。但是，大名鼎鼎的 Arduino 就是用的他们家的 MCU，奇了怪了。不过，如果你是从 51 系列转过来的话，会有惊艳的感觉。 
• 51 系列
  上个世纪的恐龙，慢、耗电。只不过架构简单，所以还在被大量的当作入门学习用途。

ARM 9, 11 系列（包括树莓派）已经不是简单的控制器了（那就是小电脑），太过庞大，作为微处理器还行，仅仅拿来做控制器则太过复杂、而且耗电。

而且都用到那个级别了，我为什么不弄个微型 PC 呐？！直接上 .net 也好拯救我几个脑细胞。

补充：虽然 LPC 43xx 那么贵，那么复杂，那么没有性价比，但不知道为什么，我还是经常会想起它。

 

操作系统为什么是 rt-thread？

复杂的控制器平台上面当然要有操作系统啦！

20k 字节的内存那显然是跑不起 windows 的（DOS 都不行），且架构也不同。但是，微控制器用的开源操作系统已经有很多了，够用了。

备选的有这么几个：

• FreeRTOS
  太臃肿。已经到了 8.0 了，估计我是没有机会看完它的源码了（这种智能控制系统，看不完源码谁敢用啊？！），简单试用过以后，pass。
• rt-thread
  中国人自己开发的，稳定版本是 1.2.1，有希望看完源码。精简、靠谱，自带一个叫做 finsh 的片上调试工具，非常实用。各种信号量、互斥锁、邮箱、事件等线程协同功能都有。Jony 去张江见过开发团队，比较放心。缺点是：文件和代码的组织方式和我的习惯有点儿“出入”，后面谈到配置工程的时候会说到。
  需要注意的是，rt-thread 2.0 版本的设计思想和 1.2 的完全不同，将会把 linux 纳入进来，是的，不是在 linux 里面嵌入 rt-thread，而是把 linux 嵌入到 rt-thread 里面！想法是强大的，但对我的应用场景来说，有点儿太大了，所以呢，我还是用 1.2.1。
• RTX
  要用 Keil 开发才有，而且功能实在太少，就是简单的轮询调度任务，pass。不过，配合 Keil 调试起来真的是很方便，参考我另一篇文章：搭建使用 RTX51-Tiny 的 C51 Keil 项目环境。
• ucOS II
  看了网友的分析，比 rt-thread 占资源，且功能还少，pass。

相比“裸机”跑代码来说，在微控制器上面跑操作系统，设计和实现的难度瞬间上去了，但它能显著降低应用的难度，这个扎实的地基虽然很难挖，但能支撑百层的高楼。凡是绕不过去的，还是早点儿开始接触、掌握好。

获取 rt-thread

万能的 Github：https://github.com/RT-Thread/rt-thread 

rt-thread 的官网：http://www.rt-thread.org。文档呢，官网是有的，不过，真的是只能作为参考，很明显是开发人员的事后开发笔记整理的。目前还是只能通过看代码来理解详细的使用方式，从文档和论坛的只言片语里面，是难以还原真相的。不过，就如上面所说，rt-thread 的好处就是它的版本还比较小，即便缺乏文档，也是可以看源码看下去的。谢天谢地。

获取 STM32 固件库

如何从意法半导体的官网 http://www.st.com 上找到资料并下载下来，是个技术活儿。该官网的搜索功能是个奇葩，比百度的搜索结果还难以让人理解。

基本上，只能先输入想找的芯片的型号，然后从结果里面再找下载。

STM32 的固件库封装了很多针对芯片的操作以及寄存器设置，如果不用固件库，你要让芯片的某个引脚输出高电平，要这样写：GPIOD->BSRR = 0x00000005; 用了固件库，你就可以这样写：GPIO_SetBits(GPIOD, GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_2); （提示：2^0 + 2^2 = 5）。虽然可以对应起来，但实在没有必要折磨自己，还是用固件库吧。

配置工程目录

曾经有高人说过“给我看他的数据结构，我就知道他的代码是怎么写的。”我说“给我看他的目录结构，我就知道他的方案是怎么设计的。”（说到数据结构这件事，我不得不说，json 在这方面做出了巨大贡献，如同 c 语言的 struct，只不过是跨语言平台的。哪怕是做 SharePoint 项目，我也会先考虑定义好适当的 json 对象。）

当我说到“工程”的时候，其实是指 workspace、solution，而非“项目”。“项目”叫做 project。一个工程可以包含多个项目。“分而治之”是人类处理复杂事物的基本策略。

问：哪些会变化，哪些不会？

答：所有固件库、开源组件都被认为不会因为我自己的应用需要而变化，只有自己应用写的会。前者只需要随着发行方升级即可，Github 上面拉下来也好、从官网下载文件解压覆盖也好，都可以。

工程目录布局规则如下：

• ST MCU 固件库目录 STLib
  • MCU 系列子目录，比如 STM32F10x、STM32F4xx
    • CMSIS
    • 外设驱动子目录，如 STM32F10x_StdPeriph_Driver
  • 截图示意
    
• rt-thread 目录
  • 里面原样保持从 Github 拉下来的目录结构即可，如图所示
    
• 工程根目录
  • 工程文件。IAR 的工程文件扩展名是 .eww，如同 Visual Studio 的工程文件扩展名是 .sln 一样。
  • 文档目录。
  • 项目目录。有多少项目，就有多少个项目目录。
    • 项目文件。IAR 的项目文件扩展名是 .ewp，如同 Visual Studio 的 C# 项目文件扩展名是 .csproj 一样。
    • main.c 用 IAR 创建新的项目时，main.c 默认会放在项目目录下面。我觉得放在那里挺好，没有必要改变。
    • App 目录。里面放和应用有关的程序文件。
      • 按照上面的路径配置，假设在 App 目录里面有一个 app.c 的程序文件，则该文件到 ST 固件库的相对路径是 “../../STLib”，同样，到 rt-thread 的相对路径是“../../rt-thread”
    • Board 目录。里面放和电路板设置有关的程序文件，比如，串口的管脚定义。这个目录里面文件的意义，是把固件库 & rt-thread 与 应用有关的程序文件隔离开来。个人认为，这一层的作用是很重要的，要好好规划。
    • Driver 目录。里面放置 rt-thread 提供的各种片上外设的驱动程序，需要从 rt-thread 的 bsp 子目录里面对应的芯片驱动中拷贝过来。之所以需要拷贝而非简单的引用，是因为这一层的驱动程序可能需要根据应用的需要做定制。
    • Fireware 目录。里面放置 ST 固件库所需的文件，比如 stm32f10x_conf.h。
    • RT-Thread 目录。里面放置 rt-thread 所需的配置文件，比如 rtconfig.h。
    • 项目目录截图示意（项目名称叫 LCD）
      

配置工程

ST 微控制器 MCU 的开发 IDE，有 3 大阵营

• 官方的 ST Studio
• IAR
• MDK（Keil）

不知道为什么，我选了 IAR。这中间当然有很多故事，因为我的确 3 种都尝试过，不过，年纪大了，已经记不得这些经历了。不幸的是，rt-thread 虽然有针对 IAR 的移植，但是开发团队用的是 MDK（Keil），于是在配置工程的时候多了一些波折。

下面是配置的步骤和对应的选项。

打开配置选项窗口
选择合适的 Device
勾上“Using CMSIS”
输出所有的汇编链接信息
设置编译器的头文件搜索路径以及与定义的宏	头文件搜索路径如下： $PROJ_DIR$....STLibSTM32F10xCMSISCM3DeviceSupportSTSTM32F10x $PROJ_DIR$....STLibSTM32F10xSTM32F10x_StdPeriph_Driverinc $PROJ_DIR$App $PROJ_DIR$Board $PROJ_DIR$Driver $PROJ_DIR$Firmware $PROJ_DIR$RT-Thread $PROJ_DIR$....RT-Threadcomponentsinit $PROJ_DIR$....RT-Threadcomponentsdriversincludedrivers $PROJ_DIR$....RT-Threadlibcpuarmcortex-m3 $PROJ_DIR$....RT-Threadlibcpuarmcommon $PROJ_DIR$....RT-Threadcomponentsfinsh $PROJ_DIR$....RT-Threadinclude $PROJ_DIR$....RT-Threadcomponentsdriversinclude 预定义的宏如下： STM32F10X_MD USE_STDPERIPH_DRIVER HSE_VALUE=((uint32_t)8000000) SYSCLK_FREQ_24MHz=24000000 其中： STM32F10X_MD 表示采用的 MCU 系列和密度，可以在芯片手册里面查到。 HSE_VALUE 是 MCU 外部晶振的频率，按照你的实际需要修改。 SYSCLK_FREQ_24MHZ 是总线频率，也是按照实际需要修改。
指定默认的链接器配置文件	需要使用 rt-thread 的 bsp 目录下对应的 MCU 的配置文件。否则烧录进去的程序在芯片中的布局会不正确，导致 finsh 组件无法正确运行：finsh 移植遇到了问题，始终输出"Null node"
指定调试工具	我用的 ST-LINK，所以选择 ST-LINK。
USE Flash Loader
设置 ST-LINK	好了以后可以点 OK 关闭选项设置对话框，然后开始项目文件设置。
引用 ST 固件库	firmware 文件组下面的文件全部来自 STLib 文件夹，引用即可。但是，注意 system_stm32f10x.c 文件，这里面包含 MCU 初始化时钟的设置。如果你没有如上面步骤一样在编译器的预定义宏里面定义时钟，那么，可以修改这个文件来实现。
引用 rt-thread 文件（不同的组件放在不同的子文件组里面）	注意，这里面的 rtconfig.h 是拷贝到项目目录下面的 RT-Thread 子目录里面的那个，因为需要结合应用的需要进行修改。
拷贝 rt-thread bsp 目录里面的驱动程序到 Driver 目录下

开发示例

按照上面的方式建立好工程和项目以后，已经可以开始一个简单的小程序做测试了，让板上的 LED 每一秒闪烁一次并通过串口来显示 finsh。

首先，在 Board 文件组下面建立 board.h、board.c 来定义自己的硬件环境的配置。

board.h 里面的宏定义 STM32_SRAM_SIZE 很重要，需要根据你所用的 MCU 的实际内存大小来设置。

/* board.h */
#ifndef __BOARD_H__
#define __BOARD_H__

#define STM32_EXT_SRAM          0
//    <o>Begin Address of External SRAM
//        <i>Default: 0x68000000
#define STM32_EXT_SRAM_BEGIN    0x68000000 /* the begining address of external SRAM */
//    <o>End Address of External SRAM
//        <i>Default: 0x68080000
#define STM32_EXT_SRAM_END      0x68080000 /* the end address of external SRAM */
// </e>

// <o> Internal SRAM memory size[Kbytes] <8-64>
//    <i>Default: 64
#define STM32_SRAM_SIZE         20
#define STM32_SRAM_END          (0x20000000 + STM32_SRAM_SIZE * 1024)

void board_initiate();

/* LED */
#define USING_LED1
#define led1_periph_clock       RCC_APB2Periph_GPIOC
#define led1_port               GPIOC
#define led1_pin                (GPIO_Pin_13)

#endif

/* board.c */
#include <rthw.h>
#include <rtthread.h>

#include <stm32f10x.h>
#include "board.h"
#include "usart.h"

void board_initiate(){
    SystemInit();
    SysTick_Config( SystemCoreClock / RT_TICK_PER_SECOND );

    rt_hw_usart_init();
    rt_console_set_device(RT_CONSOLE_DEVICE_NAME);
}

void SysTick_Handler(void)
{
    rt_interrupt_enter();
    rt_tick_increase();
    rt_interrupt_leave();
}

然后，在 Driver 文件组里面建立 led.h、led.c 的驱动。

/* led.h */
#ifndef __LED_H__
#define __LED_H__

#include <stdint.h>

void led_initiate(void);
void led_on(uint8_t led);
void led_off(uint8_t led);

#endif

/* led.c */
#include <stm32f10x.h>
#include "led.h"
#include <board.h>

void led_initiate(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;

#ifdef USING_LED1
    RCC_APB2PeriphClockCmd(led1_periph_clock,ENABLE);
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = led1_pin;
    GPIO_Init(led1_port, &GPIO_InitStructure);
#endif
}

void led_on(uint8_t n)
{
#ifdef USING_LED1
    if(n!=0)return;
    GPIO_SetBits(led1_port, led1_pin);
#endif
}
void led_off(uint8_t n)
{
#ifdef USING_LED1
    if(n!=0)return;
    GPIO_ResetBits(led1_port, led1_pin);
#endif
}

然后，在 App 文件组里面建立 app.h、app.c 文件，里面的内容和具体应用相关。

/* app.h */
#ifndef __APP_H__
#define __APP_H__

int app_initiate(void);

#endif /* __APP_H__ */

/* app.c */
#include <rthw.h>
#include <rtthread.h>

#include "app.h"
#include "led.h"

#ifdef  RT_USING_COMPONENTS_INIT
#include <components.h>
#endif  /* RT_USING_COMPONENTS_INIT */

static rt_uint8_t led_stack[256];
static struct rt_thread led_thread;
static void led_thread_entry(void* parameter)
{
    led_initiate();
    while (1)
    {
        led_on(0);
        rt_thread_delay( RT_TICK_PER_SECOND/2 );
        led_off(0);
        rt_thread_delay( RT_TICK_PER_SECOND/2 );

    }
}

int app_initiate(void)
{
    rt_err_t result;
    /* init led thread */
    result = rt_thread_init(&led_thread,
            "led",
            led_thread_entry,
            RT_NULL,
            (rt_uint8_t*)&led_stack[0],
            sizeof(led_stack),
            20,
            5);
    if (result == RT_EOK)
    {
        rt_thread_startup(&led_thread);
    }

#ifdef RT_USING_COMPONENTS_INIT
    /* initialization RT-Thread Components */
    rt_components_init();
#endif

    return 0;
}

其中 led 线程的堆栈长度是 256 字节，这是实践出来的。一开始，可以给一个尽量大的堆栈尺寸，然后，运行时通过 finsh 的 list_thread() 命令输出其实际使用的最大的堆栈尺寸，最后回来修改。

接下来打开 rtconfig.h 确保里面的 #define RT_USING_FINSH 没有被注释掉。

最后，在 main.c 里面加入启动代码。

/* main.c */
#include <rthw.h>
#include <rtthread.h>
#ifdef __CC_ARM
extern int Image$$RW_IRAM1$$ZI$$Limit;
#elif __ICCARM__
#pragma section="HEAP"
#else
extern int __bss_end;
#endif

#include <stdint.h>
#include "board.h"
#include "app.h"

int main()
{
    board_initiate();
#ifdef RT_USING_HEAP
#if STM32_EXT_SRAM
    rt_system_heap_init((void*)STM32_EXT_SRAM_BEGIN, (void*)STM32_EXT_SRAM_END);
#else
#ifdef __CC_ARM
    rt_system_heap_init((void*)&Image$$RW_IRAM1$$ZI$$Limit, (void*)STM32_SRAM_END);
#elif __ICCARM__
    rt_system_heap_init(__segment_end("HEAP"), (void*)STM32_SRAM_END);
#else
    /* init memory system */
    rt_system_heap_init((void*)&__bss_end, (void*)STM32_SRAM_END);
#endif
#endif  /* STM32_EXT_SRAM */
#endif /* RT_USING_HEAP */
    /* init scheduler system */
    rt_system_scheduler_init();
    /* initialize timer */
    rt_system_timer_init();
    /* init timer thread */
    rt_system_timer_thread_init();
    /* init application */
    app_initiate();
    /* init idle thread */
    rt_thread_idle_init();
    /* start scheduler */
    rt_system_scheduler_start();
    /* never reach here */
    return 0;
}

void assert_failed(uint8_t* file, uint32_t line)
{
    while (1) ;
}

电路设计

本着省钱、够用的原则，我选择了 STM32F103C8T6，不到 10 元一片，管脚对于我的测试应用足够。

为了确保 MCU 芯片可以满足需要，建议先用 ST 自家出的 MicroXplorer 来规划一下芯片上面外设和 IO 的分配，做到心中有数。

围绕着芯片的选型，就可以开始电路设计了。

下面是 MCU 的核心电路：

核心电路的 P1 是 SWD 的编程接口，其管脚的排列是与 ST 的 STM32F4 Discovery 开发板兼容的，这样就可以直接通过 STM32F4 Discovery 开发板对自己的实验电路进行调试了。

运行效果

然后，就可以编译并下载到芯片中运行了。

下面贴一个实际的效果（里面不仅仅有 LED 了）。

 

跑一下 finsh，可以看到很多有价值的系统运行数据，如内存的使用情况，各个线程的堆栈使用情况等等。

这样，开发平台搭建完成，接下来就看自己的想象力了。

P.S. 这段时间看似有点儿不务正业了，后面会把 SharePoint 的时间补回来的。

■ 本文结束