STM处理器综合应用课件

1、9.1 RTX_Blinky9.2 MP3_Player第1页，共83页。9.1 RTX_Blinky本节将介绍一个综合应用 RTX、ADC、GPIO、LCD 的实例 RTX_Blinky。STM32 处理器根据电位器的电压值来控制四相八拍步进电机的旋转速度，这里以四个 LED灯闪烁来表示处理器给步进电机的输入，也就是通过电位器来控制四个 LED 灯循环闪烁的速度，同时电位器的电压值在 LCD 上显示。第2页，共83页。作用其一是如何使用实时库 RTX 来实现多任务的应用程序；其二是如何使用 MDK、ULink2 和 STM32 处理器的 SW 端口来进行实时跟踪分析调试第3页，共83页。9.

2、1.1 硬件电路第4页，共83页。9.1.2 RTX 内核RTX 内核是一个非常小的 RTOS，仅有 50 多个函数，没有内存管理、文件管理等复杂功能，但可以实现多任务的管理和调度。RTX 是用标准C 语言编写，由RealView 编译器编译成的，可轻松实现任务函数的声明，而不需要复杂的堆栈以及变量帧的配置。利用 RTX 核编写实时应用程序仅需要在源程序中包含一个连接RTX 实时库的头文件“RTX.h”即可。第5页，共83页。RTX常用函数 os_sys_init (void (*task)(void) )该函数用于初始化并启动RTX 核，在核被初始化后，将运行参数 task 所指向的任务函数

3、。该函数一定是放在 C 语言的 main()函数中。第6页，共83页。RTX常用函数 OS_TID os_tsk_create (void (*task)(void),U8 priority )该函数创建由参数任务函数指针*task 所指定的任务，并将任务添加准备好的队列中，新的任务会被动态分配一个任务识别号(TID)。参数 priority 用于指定任务的优先级，默认的任务优先权是1。0 为闲置的任务保留的，如果指定一个任务的优先权为 0，则自动用 1 代替，值 255 也保留。第7页，共83页。RTX常用函数void os_evt_set (U16 event_flags, OS_TID

4、task ); 该函数为参数 task 指定的任务设置标志，函数仅对参数 event_flags 中相应位为 1 的事件设置标志。void os_tsk_delete_self (void)该函数停止并删除当前任务，程序将继续执行下一个就绪队列中最高优先权的任务。第8页，共83页。RTX常用函数void os_dly_wait (U16 delay_time )该函数用于暂停调用任务。参数 delay_time 具体规定停顿的时间长度，它由system_ticks衡量，delay_time 可以设置为从 1 至0 xfffe 的任何值。第9页，共83页。RTX常用函数 OS_RESULT os

5、_evt_wait_and (U16 wait_flags, U16 timeout )该函数用于等待在 wait_flags 中被指定发生的所有事件。函数等待参数 wait_flags 中相应的位被设定为 1 的事件，最多可达16 个不同的事件。timeout 用于设置预约时间， 预约时间之后即使没有一个事件发生，函数必须返回。timeout 可以为除了 0 xFFFF 之外的值，如果timeout 设置为 0 xFFFF，则表示一个不确定的预约时间。预约时间由系统时间衡量。第10页，共83页。9.1.3 软件程序设计为了使用 RTX 以多任务的方式驱动LED 灯的闪烁，设置 5 个任务 O

6、S_TID t_phaseA、OS_TID t_phaseB、OS_TID t_phaseC、OS_TID t_phaseD 和 OS_TID t_lcd。其中前 4 个任务的作用是点亮某个 LED 灯，延迟一段时间，然后通过设置标志触发另一个任务执行，再延迟一段时间之后，熄灭 LED 灯，等待下一次事件标志的到来；通过这四个任务的循环触发可以实现四个 LED 灯循环闪烁，其延迟时间由ADC 转换值决定。第11页，共83页。软件程序设计OS_TID t_lcd 用于将ADC 转换值显示在 LCD 上，按固定时间间隔不断更新。除了以上 5 个任务之外，还有 init 任务和 idle 任务，in

7、it 任务用于创建以上 5 个任务，该任务在完成之后自行删除；idle 任务无需创建，永远存在，当系统无其他任务时执行该任务。第12页，共83页。源文件简介 Blinky.c该源文件用于创建多个任务，并多个任务之间的触发。 STM32_Init.c该源文件用于初始化 STM32 处理器各个外围接口设备。第13页，共83页。源文件简介Setup.c该文件用于设置 ADC 和 LED 相关的端口和时钟。RTX_Config.c该文件用于配置 RTX 的参数，例如同时运行的最多任务数、任务堆栈等。MDK在KeilARMRV30Startup 下自带了几款 MCU 的 RTX 配置模版文件，编程时可以

8、先加入近似 MCU 的配置模版文件，然后使用配置向导来修改参数，如下页图所示，无需编程。第14页，共83页。 RTX 参数配置向导第15页，共83页。源文件简介 LCD_4BIT.c该文件用于提供评估板上 2 行 16 字符的文本LCD 驱动。第16页，共83页。9.1.4 实时跟踪分析Cortex-M3 处理器内核可以使用 SW 接口进行实时跟踪（Trace）；这里结合RTX_Blinky介绍如何使用 MDK、ULink2 进行 STM32 的实时跟踪工具。第17页，共83页。9.1.4.1 配置实时跟踪调试若要使用 SW 进行实时调试，则需要按以下步骤配置调试器、配置 SWD、配置跟踪功能

9、。 配置调试器：选择Project -Options for Target Debug，在如下页图所示的对话框中选择ULINK Cortex Debugger 调试器。第18页，共83页。选择调试器第19页，共83页。配置实时跟踪调试然后将路径KeilARMStartupST 下的 STM32DBG.ini 文件拷贝到工程文件夹中。选择Project- Options for Target Debug，在 Initialization File 选项中选择该文件：第20页，共83页。STM32DBG.ini 文件用于配置实时跟踪的选项，可以使用配置向导来修改该文件：第21页，共83页。STM3

10、2DBG.ini 中可配置选项（1）DBG_SLEEP (Debug Sleep Mode)：允许在睡眠模式下调试；DBG_STOP (Debug Stop Mode)：允许在停止模式下调试；DBG_STANDBY (Debug Standby Mode)：允许在备用模式下调试；TRACE_IOEN (Trace Pin Assignment control)：允许跟踪引脚分配；TRACE_MODE (Trace Pin Assignment Control)：设置跟踪引脚分配；第22页，共83页。STM32DBG.ini 中可配置选项（2）DBG_IWDG_STOP (Debug Indep

11、endent Watchdog stopped when Core is halted)：当处理器核挂起时候，停止独立看门狗时钟；DBG_WWDG_STOP (Debug Window Watchdog stopped when Core is halted)：当处理器核挂起时候，停止窗口看门狗时钟；DBG_TIMx_STOP (Debug Timer stopped when Core is halted)：当处理器核挂起时候，停止调试时钟；DBG_CAN_STOP (Debug CAN stopped when Core is halted)：CAN 接收寄存器被冻结。第23页，共83页。

12、 配置 SWD选择Options for Target Debug Settings，如图所示，设置 SWD，端口选择SW。第24页，共83页。配置 Trace 功能Trace 功能包括：Core Clock、Trace Port 以及定义 TraceEvents 等，如图所示。第25页，共83页。9.1.4.2 实时跟踪MDK 提供了多种实时跟踪窗口，来从不同角度显示实时跟踪所捕获的记录；包括：状态栏信息、ITM 观测器、逻辑分析仪、RTX 核事件观测器和实时跟踪窗口。第26页，共83页。状态栏信息如果配置了实时跟踪，当选择Debug - Start Debug Session 菜单开始调试

13、时，Vision 3 的窗口状态栏将显示当前跟踪状态信息：在状态栏中可能显示如下的 Trace 信息：Trace: Communication Error，表示 Cortex-M3 和 Vision 之间通信出现错误，原因是Core Clock 设置出错或者 Trace 硬件有问题；Trace: HW Buffer Overrun，表示 ULink2 缓冲超出，ULink2 无法给 Vision提供足够快的数据通信；第27页，共83页。在状态栏中可能显示如下的 Trace 信息续Trace: SW Buffer Overrun，发生 Vision 内部软件缓冲超出；Trace: No Sync

14、hronization，未受到同步包，原因是配置错误或者未连接跟踪硬件；Trace: Data Stream Error，检测到跟踪数据流； Trace: Data Overflow，捕获了太多的跟踪数据，跟踪端口太忙导致跟踪包丢失； Trace: Running .，表示目标板和实时跟踪允许正确；Target and Realtime Trace is running without any errors. ：表示目标板和实时跟踪停止，之前未发生任何错误。第28页，共83页。 ITM 观测器（ITM Viewer）ITM 是一个应用驱动跟踪源，支持应用事件跟踪和 printf 类型的调试。它

15、支持如下跟踪信息源：软件跟踪、硬件跟踪和时间戳。第29页，共83页。要使用 ITM 观测器，首先需要在源代码中加入如下关于 ITM 端口寄存器的定义：#define ITM_Port8(n) (*(volatile unsigned char *)(0 xE0000000+4*n)#define ITM_Port16(n) (*(volatile unsigned short*)(0 xE0000000+4*n)#define ITM_Port32(n) (*(volatile unsigned long *)(0 xE0000000+4*n)#define DEMCR (*(volatile

16、 unsigned long *)(0 xE000EDFC)#define TRCENA 0 x01000000第30页，共83页。然后，在源代码中添加fputc 函数，它用于向ITM 的激励端口0 寄存器写数据：struct _FILE int handle; /* Add whatever you need here */ ;FILE _stdout;FILE _stdin;int fputc(int ch, FILE *f) if (DEMCR & TRCENA) while (ITM_Port32(0) = 0); ITM_Port8(0) = ch; return(ch);第31页，

17、共83页。有了 fputc 函数之后，就可以用 printf 函数做为 ITM 调试输出。ITM 的激励端口0 与 ITM Viewer 窗口之间的连接是固定关系的：第32页，共83页。完成以上设置之后，在目标调试期，可以选择View - Serial Window - ITM Viewer打开 ITM Viewer 窗口第33页，共83页。这时就可以在目标调试期间通过 ITM Viewer 窗口查看到调试跟踪信息：第34页，共83页。 逻辑分析仪（Logic Analyzer）使用实时调试，可以通过逻辑分析器观测至多 4 个变量值的变化。第35页，共83页。在调试期间，可以在逻辑分析仪中添加

18、希望观测的变量：第36页，共83页。RTX 核事件观测器（RTX Kernel Event Viewer）当运行使用实时库 RTX 的应用程序时，可使用 RTX Kernel Event Viewer 窗口来观察任务的切换过程。还需要允许Trace Enable，并设置正确的 Core Clock：第37页，共83页。完成上述设置之后，在目标调试过程中选择Peripherals RTX Kernel 即可打开 RTX Kernel 窗口：第38页，共83页。System 窗口第39页，共83页。 Event Viewer 窗口第40页，共83页。实时跟踪窗口在实时调试时，选择Periphera

19、ls Trace 菜单，来观测和分析所有的跟踪记录:第41页，共83页。Exception Trace 窗口第42页，共83页。Event Counters 窗口显示特殊事件计数器的值:第43页，共83页。Cortex-M Target Driver Setup 窗口中选择对那些特殊事情进行计数:第44页，共83页。9.2 MP3_Player本节将介绍一个利用 STM32 处理器实现简易MP3 Player 的设计实例；这个综合应用实例有助于读者了解SPI 接口、SD 卡、TIMER、USB、FAT 文件系统等的应用。第45页，共83页。两种设计方案第一种方案是简易声波播放器，仅使用 STM

20、103V100 评估板；令计时器 TIM4 工作在 PWM 模式下，将wav 格式的声波文件从 SD 卡中读出；由TIM4 产生不同频率的方波通过低通滤波器和放大器送喇叭。第46页，共83页。简易声波播放器方案第47页，共83页。第二种方案第二种方案即是简易MP3 播放器；还需要使用额外的解码芯片，将MP3 格式的文件从 SD 卡读出，然后送解码芯片解码播放。第48页，共83页。简易MP3 Player 方案第49页，共83页。9.2.1 SD 卡的结构及读写方法SD 卡（Secure Digital Memory Card）是一种为满足安全性、容量、性能和使用环境等各方面的需求而设计的一种新

21、型存储器件；SD 卡允许在两种模式下工作，即 SD 模式和 SPI 模式，本系统采用 SPI 模式。第50页，共83页。SD 连接器与 STM32 处理器 SPI 连接图第51页，共83页。SD 卡内部结构及引脚第52页，共83页。SD 卡主要引脚和功能为：CLK：时钟信号，每个时钟周期传输一个命令或数据位，频率可在 025MHz 之间变化，SD 卡的总线管理器可以不受任何限制的自由产生 025MHz 的频率；CMD：双向命令和回复线，命令是一次主机到从卡操作的开始，命令可以是从主机到单卡寻址，也可以是到所有卡；回复是对之前命令的回答，回复可以来自单卡或所有卡；DAT03：数据线，数据可以从卡

22、传向主机也可以从主机传向卡。第53页，共83页。SD 卡的命令SD 卡以命令形式来控制 SD 卡的读写等操作。可根据命令对多块或单块进行读写操作。在SPI 模式下其命令由6 个字节构成，其中高位在前。第54页，共83页。读写 SD 卡的两个函数：读 取 SD 卡 函 数 u8 MSD_ReadBlock(u8* pBuffer, u32 ReadAddr, u16NumByteToRead); 写 读 取 SD 卡 函 数 u8 MSD_WriteBlock(u8* pBuffer, u32 WriteAddr, u16NumByteToWrite) 第55页，共83页。9.2.2 FAT16

23、 文件系统简介SD 卡如果采用 FAT16 文件格式，按照其不同的特点和作用大致可分为 5 部分：MBR 区、DBR 区、FAT 区、FDT 区和 DATA 区。由于 SD 卡一般不做引导盘，一般也不分区，因此通常无MBR 区，直接从 DBR 区开始。第56页，共83页。 DBR 区内容为系统引导记录，它包括一个引导程序和一个被称为 BPB（Bios Parameter Block）的本分区参数记录表。引导程序的主要任务是当 MBR 将系统控制权交给它时，判断本分区根目录是否有操作系统引导文件，如果有则将其读入内存，并把控制权交给该文件。BPB 参数块记录着本分区的起始扇区、结束扇区、文件存储

24、格式、根目录大小、FAT 个数，分配单元大小等重要参数。第57页，共83页。FAT 区该区内容为文件分配表，FAT16 文件系统进行空间分配的最基本单位是簇。文件分配表反映了 SD 卡所有簇的使用情况，通过查文件分配表可以得知任一簇的使用情况。第58页，共83页。FAT 表对于 FAT16 来说，FAT 表每项占用两个字节。FAT 表的第一项通常为 FFF8H。对于其它项，若其值为 0000H 表示 可 用 ； FFF7H 表 示 为 坏 簇 ； FFF8H-FFFFH 之 间 表 示 该 簇 为 某 文 件或 目 录 的 最后一 个簇，FFF0H-FFF6H 之间为保留值；其它值则指示下一个

25、簇的簇号。第59页，共83页。 FDT 区该区的内容为文件目录表，FAT 文件系统的一个重要思想是把目录（文件夹）当作一个特殊的文件来处理，FAT32 甚至将根目录当作文件处理。FAT 分区中所有目录文件，实际上可以看作是一个存放其它文件（文件夹）入口参数的数据表。因此，目录占用空间的大小并不等同于其下所有数据的大小，但也不等于 0，通常是占很小的空间。其具体的存储原理是：不管目录文件所占空间为多少簇，一簇为多少扇区、多少字节；系统都会以 32 个字节为单位，进行目录文件所占簇的分配。第60页，共83页。DATA 区该数据区存放文件的内容，SD 卡所占用的空间绝大部分为此部分。如果文件长度大于

26、一个簇的大小，需要多个簇存放该文件，这些放通过 FAT 链表串连起来。第61页，共83页。9.2.3 VS1003-MP3/WMA 音频编解码器简介VS1003 是由芬兰 VLSI Solution Oy 公司所设计的一款单片 MP3/WMA/MIDI 音频解码器和 ADPCM 编码器；它包含一个高性能、自主产权的低功耗DSP 处理器核VSDSP4。第62页，共83页。 VS1003 内部结构及引脚第63页，共83页。VS1003 芯片与 STM32F103x 处理器配合VS1003 可以作为一个微控制器的从机，通过串行 SPI 接口来接收输入的比特流，输入的比特流被解码后，可以通过一个数字音

27、量控制器到达一个 18 位过采样多位 DAC。STM32 处理器读取 SD 卡中的 MP3 文件，将其通过 SPI 接口送往 VS1003 芯片播放，然后再利用 STM32F10X 处理器的一些 GPIO 口来控制 VS1003 即可以实现一个 MP3 Player 的原形设计。第64页，共83页。9.2.4 简易声波播放器的设计与实现通过 SPI1 从 SD 卡中读取声波文件，将所读取的部分存放在一个缓冲器中，利用 TIMER2 通道 1 定期产生的中断，从缓冲器中读取声音数据，然后根据声音数据通过 TIMER4 的通道 3 产生不同频率方波输出。这里使用了两个缓冲器，一个用于存放从 SD

28、卡读到的声音数据，另一个用于将声音数据输出到PWM，两个缓冲区的功能不断交替，形成一个由 2 个缓冲区构成的环形缓冲。播放声波文件由PC 机通过超级终端以命令的方式选择，声音的播放状态也显示在 PC 机超级终端上。第65页，共83页。main.c源文件包含以下几个主要函数：SetupClock：用于初始化并设置系统时钟，并允许 GPIOA、GPIOB、TIM2、TIM4和 SPI 的时钟；Speaker_Timer_Config:用于配置定时器 TIM2 和 TIM4，TIM4 的通道 3 处于PWM1 模式；TIM2 的通道 1 工作于输出比较模式，定期发出中断，在每次中断修改TIM4 通道

29、 3 相关寄存器，使之产生不同频率的方波； USART_Scanf_Name 和 USART_Scanf_Cmd：用于从超级终端获取输入字符串； 第66页，共83页。main.c源文件包含以下几个主要函数(续)PrintPass：用于在超级终端上输出提示符“X:”；main: 主函数，首先初始化系统时钟、串口、连接SD 卡的 SPI1，与 SD 进行通讯初始化，检测并在超级终端上打印 SD 卡的信息；然后根据用户在超级中输入的命令进行操作，这里有“dir”、“cd”、“read”、“free”、“play”五个简单的命令，分别是目录项列表、目录更换、以文本方式读取文件、查询 SD 空余空间和播

30、放声音文件；如果输入“Play *.wav”，则处理器开始从 SD 卡中读取相应的声波文件，并将其放入相应的缓冲区；第67页，共83页。msd.c：该文件用于提供 SD 卡的驱动，由ST 公司所带例程提供，本系统用到以下一些函数。SPI_Config：配置与 SD 卡相连接的 SPI1；MSD_Init：初始化 SD 卡通讯；MSD_WriteByte：向SD 卡写一个字节；MSD_WriteByte：从 SD 卡读一个字节；MSD_GoIdleState：令SD 卡处于空闲态；Get_Medium_Characteristics：获取 SD 卡的容量；MSD_SendCmd：向SD 卡发命令

31、；MSD_GetResponse：从 SD 卡获取响应；MSD_ReadBlock：从 SD 卡读取一块数据；第68页，共83页。 fat16.c：该文件提供 FAT16 文件系统的支持，主要包含以下一些函数：ReadMBR：读取 MBR 数据结构；ReadBPB：读取 BPB 数据结构；ReadFAT：读取文件分配表指定项；ReadBlock：读取一个扇区；FAT_Init：获取 FAT16 文件系统基本信息；DirStartSec：获取根目录的开始扇区号；DataStartSec：获取数据区的开始扇区号；第69页，共83页。fat16.c续ClusConvLBA：获取一个簇的开始扇区号；L

32、BAConvClus：转换扇区号与簇号之间的关系；LBAConvClus：计算可用空间，返回字节数；GetFileName：获取指定文件的首扇区号；List_DateAndTime：获取文件或目录项的日期时间；SearchFoler：在指定范围内查找子目录；List_AllDir_Long：列出指定范围内的目录及目录信息；FAT_FileOpen：打开指定文件；FAT_FileRead：读取文件数据；第70页，共83页。uart.chw_config.cuart.c：该文件提供 USART 串口驱动函数，可以参考 7.5 串行通讯接口实例的程序；hw_config.c：该文件包含系统初始化设置

33、函数和中断配置函数。Set_System：用于提供系统时钟及电源设置；NVIC_Config：用于设置中断向量，允许 TIM2 中断；第71页，共83页。stm32f10 x_it.cUnicodeToGB2312.c stm32f10 x_it.c：该文件仅包含一个函数 TIM2_IRQHandler，即在每次 TIM2 中断时从缓冲器中读取音频数据送 TIM4 定时器，以用于产生不同频率的声音。UnicodeToGB2312.c：该文件仅包含一个函数 UnicodeToGB2312，处理从 UniCode 编码到 GB2312 字符的转换，用于处理长文件名。第72页，共83页。 查看 SD

34、 卡内容第73页，共83页。 播放声波文件第74页，共83页。9.2.5 简易MP3 Player 的设计与实现9.2.4 小节所介绍的声音播放器，是通过定时器 TIM4 产生不同频率方波来产生声音的，因此只适合播放 wav 声波文件，其音质也非常粗糙。如果希望播放 MP3 文件，并产生高品质的声音，则需要使用专用声音解码芯片，这将得到一个简易MP3 Player 原型设计。第75页，共83页。9.2.5.1 硬件设计第76页，共83页。9.2.5.2 软件程序设计通过 SPI1从 SD 卡中读取 MP3 文件，将所读取的内容通过 SPI2 发送到 VS1003 解码器中播放；PC 机可通过

35、USB 总线读写 SD 卡的内容，传送 MP3 文件；PC 机的超级终端用于发送 MP3 播放命令、显示 MP3 播放状态。第77页，共83页。 main.c：源文件包含以下几个主要函数：USART_Scanf_Name 和 USART_Scanf_Cmd：用于从超级终端获取输入字符串；PrintPass：用于在超级终端上输出提示符“X:”；main: 主函数，首先初始化系统时钟、串口、USB 接口、SPI1、SPI2，通过命令启动VS1003 芯片，检测并在超级终端上打印 SD 卡的信息；然后根据用户在超级中输入的命令进行操作，这里有“dir”、“cd”、“read”、“free”、“usb”、“vstest”、“play”七个简单的命令，分别是目录项列表、目录更换、以文本方式读取文