NUCLEO-F410RB 测评第一周: 运行尝试

cruelfox

NUCLEO-F410RB 测评第一周: 运行尝试 [复制链接]

拿到管理员送来的 NUCLEO-F410RB 板子刚好一周了，该汇报一下进度了。过去的这个周末家务事占用时间多了点，所以实际上没像预期的那样折腾它。不过还是跑通了第一个demo程序——让LED闪起来。过程并不顺利，我喜欢刨根究底，所以挖来和大家分享一下。
我最近一段时间在使用STM32F0，所以算是接触并稍微了解了STM32系列。拿到NUCLEO-F410RB，板子外观几乎和自己的NUCLEO-F091RC是一样的。不过学习了一下手册，就知道核心的差别大着呢。F091, F072都是ARM Cortex-M0的，核心是单一总线；F410是ARM Cortex-M4，核心有三条总线分别用于指令，数据和外设，何况还有Flash内存加速器，所以就算是同样的时钟下执行同样的指令，F410效率对比F0系列的优势也是明显的。指令集的对比就不用多说了，我看了一晚上M4编程手册，指令真是眼花缭乱！

好在貌似M4系和M0系的外设接口有很多是兼容的，代码挪过来编译应该问题不大。于是我尝试把F072做的最小测试程序移植过来跑一下，就让LED闪亮吧：在NUCLEO上绿色的LED是接在PA5口上的，操作GPIO就可以控制亮和灭了。移植过来的程序是这样的：

1. #include "stm32f4xx.h"
   
2. 
   
3. int main(void)
   
4. {
   
5. 
   
6.     RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;    // enable GPIO port A clock
   
7.     GPIOA->MODER = GPIO_MODER_MODER5_0; // PA5 as general output (LED)
   
8. 
   
9.     RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM6EN;     // enable basic timer 6
   
10.     TIM6->PSC = 9999;       // prescaler
    
11.     TIM6->ARR = 399;        // auto reload value
    
12.     TIM6->CR1 = TIM_CR1_URS|TIM_CR1_CEN;    // start counter
    
13. 
    
14.     while(1)
    
15.     {
    
16.         static char a=0;
    
17.         if(TIM6->SR & TIM_SR_UIF)   // check if overflow
    
18.         {
    
19.             TIM6->SR &= ~TIM_SR_UIF;    // clear flag
    
20.             if(a==0)
    
21.             {
    
22.                 GPIOA->BSRRL = (1<<5);
    
23.                 a=1;
    
24.             }
    
25.             else
    
26.             {
    
27.                 GPIOA->BSRRH = (1<<5);
    
28.                 a=0;
    
29.             }
    
30.         }
    
31.     }
    
32. }

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在F072上，RCC中控制AHB时钟使能的只是AHBENR寄存器，到了F410上面变成AHB1ENR, 又新出了AHB1LPENR，这里就得改。TIMER6的操作假定是一样的，先试着编译吧。上面这个程序还需要额外的几个文件，包括startup code，都从别的地方挖来用。编译好以后，用STVP下载也成功了，但是，居然LED不亮
在F072上没有问题的，怎么会错呢？ 我百思不得其解啊。竟然在这里被卡住了。
后来想还是找现成的例子来试吧，于是去下载STM32CubeF4这个近300M的zip包，从里面把GPIO_Toggle的例子扒出来，把所依赖的文件也搜罗出来，单独弄到一个目录下。编译的命令都写到.bat文件里

1. arm-none-eabi-gcc -c -O2 -I. -mcpu=cortex-m4 -mthumb -DSTM32F410Rx main.c
   
2. arm-none-eabi-gcc -c -O2 -I. -mcpu=cortex-m4 -mthumb -DSTM32F410Rx stm*.c
   
3. arm-none-eabi-gcc -c -O2 -I. -mcpu=cortex-m4 -mthumb -DSTM32F410Rx system*.c
   
4. arm-none-eabi-gcc -c -mcpu=cortex-m4 -mthumb start*.s
   
5. arm-none-eabi-ld *.o -Le:\arm-2014q3\arm-none-eabi\lib\armv7e-m -Le:\arm-2014q3\lib\gcc\arm-none-eabi\4.8.4\armv7e-m -T STM32F410RBTx_FLASH.ld -o blink.elf
   
6. arm-none-eabi-objcopy -Oihex blink.elf blink.hex
   

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这个测试例子顺利运行了，LED闪亮了。它的主程序也简单，删掉注释是这样

1. int main(void)
   
2. {
   
3.   HAL_Init();
   
4.   
   
5.   SystemClock_Config();
   
6.    
   
7.   __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
   
8.   
   
9.   GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5;
   
10.   GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    
11.   GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
    
12.   GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FAST;
    
13.   HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    
14.    
    
15.   while (1)
    
16.   {
    
17.     HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
    
18.     HAL_Delay(100);
    
19.   }
    
20. }
    

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当然，里面是用了HAL库。对于这样的小程序来说，用HAL无疑是做了很多的不必要的工作。我认为小程序直接操作寄存器就够了，记住几个关键寄存器的用法就可以写出来。回过头来看，既然HAL可以实现的功能，我自己写的又怎么不工作呢？于是使用替换法，排查下来发现问题出在
  RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;
用HAL库书写同样功能的代码是
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
这有什么问题？不就是读-改写一个RCC外设寄存器么。追溯后面这个函数的定义，在stm32f4xx_hal_rcc.h里面有

1. #define __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()    do { \
   
2.                                         __IO uint32_t tmpreg; \
   
3.                                         SET_BIT(RCC->AHB1ENR, RCC_AHB1ENR_GPIOAEN);\
   
4.                                         /* Delay after an RCC peripheral clock enabling */ \
   
5.                                         tmpreg = READ_BIT(RCC->AHB1ENR, RCC_AHB1ENR_GPIOAEN);\
   
6.                                         UNUSED(tmpreg); \
   
7.                     } while(0)
   

复制代码

奇怪了，为什么要这样去写呢？while(0)说明这个程序段并没有循环，再追溯 SET_BIT 宏的定义，就是我直接写的那样一个逻辑或操作。 实在想不出道理，但现实问题是我自己写的没有正确运行，只好反汇编比较了。
下面把代码差异保留到仅仅那一行C代码上，分别编译，使用objdump -S查看main()的内容。我直接写出来是

1. 80001dc:        4b16              ldr        r3, [pc, #88]        ; (8000238 <main+0x5c>)
   
2. 80001de:        4a17              ldr        r2, [pc, #92]        ; (800023c <main+0x60>)
   
3. 80001e0:        4917              ldr        r1, [pc, #92]        ; (8000240 <main+0x64>)
   
4. 80001e2:        b4f0              push        {r4, r5, r6, r7}
   
5. 80001e4:        6b1e              ldr        r6, [r3, #48]        ; 0x30
   
6. 80001e6:        4c17              ldr        r4, [pc, #92]        ; (8000244 <main+0x68>)
   
7. 80001e8:        f046 0601         orr.w        r6, r6, #1
   
8. 80001ec:        f44f 6580         mov.w        r5, #1024        ; 0x400
   
9. 80001f0:        f64f 70ff         movw        r0, #65535        ; 0xffff
   
10. 80001f4:        631e              str        r6, [r3, #48]        ; 0x30
    
11. 80001f6:        6025              str        r5, [r4, #0]
    
12. 80001f8:        6160              str        r0, [r4, #20]
    
13. 80001fa:        6c1f              ldr        r7, [r3, #64]        ; 0x40
    
14. 80001fc:        f242 760f         movw        r6, #9999        ; 0x270f
    
15. 8000200:        f240 158f         movw        r5, #399        ; 0x18f
    

复制代码

使用了HAL库书写的结果是

1. 80001dc:        4b19              ldr        r3, [pc, #100]        ; (8000244 <main+0x68>)
   
2. 80001de:        4a1a              ldr        r2, [pc, #104]        ; (8000248 <main+0x6c>)
   
3. 80001e0:        6b18              ldr        r0, [r3, #48]        ; 0x30
   
4. 80001e2:        491a              ldr        r1, [pc, #104]        ; (800024c <main+0x70>)
   
5. 80001e4:        b4f0              push        {r4, r5, r6, r7}
   
6. 80001e6:        f040 0001         orr.w        r0, r0, #1
   
7. 80001ea:        6318              str        r0, [r3, #48]        ; 0x30
   
8. 80001ec:        6b18              ldr        r0, [r3, #48]        ; 0x30
   
9. 80001ee:        4c18              ldr        r4, [pc, #96]        ; (8000250 <main+0x74>)
   
10. 80001f0:        b082              sub        sp, #8
    
11. 80001f2:        f000 0001         and.w        r0, r0, #1
    
12. 80001f6:        9001              str        r0, [sp, #4]
    
13. 80001f8:        f44f 6580         mov.w        r5, #1024        ; 0x400
    
14. 80001fc:        f64f 70ff         movw        r0, #65535        ; 0xffff
    
15. 8000200:        9e01              ldr        r6, [sp, #4]
    
16. 8000202:        6025              str        r5, [r4, #0]
    
17. 8000204:        6160              str        r0, [r4, #20]
    
18. 8000206:        6c1f              ldr        r7, [r3, #64]        ; 0x40
    
19. 8000208:        f242 760f         movw        r6, #9999        ; 0x270f
    
20. 800020c:        f240 158f         movw        r5, #399        ; 0x18f

复制代码

机器代码有区别是毋庸置疑的，用了HAL的这段代码要长一些，将 AHB1ENR 改写之后又多读了一次。读能影响寄存器的结果？不可能的事。我写的代码编译结果也没有问题，那究竟为什么LED没有亮？

假如我手工写汇编来写这个程序的话，写出来不会是这个样子的。一条条读就能看出来，编译器似乎对指令顺序进行了调整优化——也许是优化了流水线使M4上运行更快。我注意到这两处连续的写操作：
80001f4:        631e              str        r6, [r3, #48]        ; 0x30
80001f6:        6025              str        r5, [r4, #0]

前一个的目标地址是 RCC 的 AHB1ENR, 后一个不用说应该是 GPIOA 的 MODER. 会不会是GPIOA还没有被使能，导致紧接着的 MODER 寄存器操作无效了？我很怀疑这一点。于是，在C程序中，写 AHB1ENR 之后插入一个 NOP 指令，也就是 __NOP(); 结果，果然问题就绕过去了。
其它的，比如改变编译优化选项为 -O 而不用 -O2, 结果代码中没有那两条连续的STR指令，LED也同样闪烁了。这，是因为Cortex-M4运行太快了么？

damiaa

赞一个，虽然是小细节。往往是要花时间。卡壳的环节。

shinykongcn

研究的挺深的，汇编也上了，666