2016年2月14日星期日

STM32 Nucleo-F746ZG开发板入门指南

全新的Nucleo-F746终于到手上了，这是ST的Nucleo-144产品线的第一个开发套件，而且可以说，如果考虑到一个正品的Arduino DUE价格超过40美元且其MCU只是Cortex-M3内核，Nucleo-F746的街机的价格（大约23美元）大概是一个创客在市场上可以找到的最好的开发套件。

nucleo-144-vs-nucleo-64.jpg

和经典的Nucleo-64相比，该开发板更让人印象深刻：更宽并提供了很多更标准的外设。现在用户LED有三个（红、蓝和绿），并且电源指示灯变成了绿色。最大的变化时，该开发板配备了LAN接口、磁力计和SMSC物理层收发器PHY。这意味着，我们可以使用运行在216MHz的功能强大的Cortex-M7内核开始开发物联网应用。和ST的以一个低价的F7开发板STM32F746-Discovery相比，它并没有提供LCD显示屏。但是，Nucleo-144通过Zio接口引出了大多数MCU的信号I/O，而Discovery-F7仅有少量的信号布线到Arduino式的连接器。如果你想要使用Nucleo-144开发一个定制产品，那么它是最好的选择。

在这篇文章中，我将一步步展示开始使用这个奇妙般的硬件。我们将使用LwIP栈在Nucleo上创建一个简单的Web服务器。该Web应用允许我们通过使用bootstrap和jQuery和Nucleo板上的LED及用户按键进行交互。以下视频展示了HTTP服务器时如何工作的。



第1步：创建新的Eclipse工程

第一步是创建一个新的Eclipse工程。最近Liviu Ionescu已经更新了工程模板，增加了对STM32F7微控制器的支持。然而，在这里我们可以使用另一种方法：首先建立一个基本的ARM C/C++工程，然后我们将CubeMX生成的工程导入到里面，它简化了很多MCU的配置过程。此外，它允许我们快速导入LwIP栈，该栈是用来开发STM32微控制器的TCP/IP应用程序。
转到File->New->C Project，然后选择Hello World ARM Cortex-M C/C++ Project项。给工程起个你喜欢的名字。点击Next。
Schermata-2016-01-21-alle-12.47.23.png
在下一步中从 Processor core项中选择Cortex-M7。在Flash size字段输入1024，在RAM size字段输入320，如下图所示。
Schermata-2016-01-21-alle-12.50.05.png
点击Next。在接下来的步骤中，除了在Vendor CMSIS字段中写入stm32f7xx，其他的都保持不变。
Schermata-2016-01-21-alle-12.53.43.png
全部采用标准选项，完成工程向导。

现在，在我们导入CubeMx工程到该Eclipse工程之前，最好修改ldscripts/mem.ld文件。默认情况下，GNU ARM插件分配0x00000000作为FLASH存储的首地址，而在所有的STM32微控制器中，内部的FLASH被映射到0x08000000。因此，从Eclipse IDE中打开ldscripts/mem.ld文件，并且在MEMORY部分的第一行按照如下所示编写：
...
MEMORY
{
  FLASH (rx) : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 1024K
  RAM (xrw)  : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 320K
...
OK。下一个重要的步骤是在导入CubeMX之前，关闭Eclipse工程。

第2步：创建新的CubeMX工程
现在，我们需要在CubeMX创建一个新的工程。首先，确保使用CubeMX的最新版本，在写本篇教程时最新版本是4.12。这是支持Nucleo-144产品线的第一个版本，所以至少有这个版本是很重要的。
启动CubeMX，并创建新的工程。在New Project向导中，选择Board Selector选项卡，并且在列表中选择Nucleo-F746ZG。确保勾选“Initialize all IP with their default mode”。点击OK，等待工程生成。
OK。现在我们需要启用两个中间件栈：FreeRTOS和LwIP。在IP Tree面板（CubeMX左侧的树视图），启用FREERTOS和LWIP模块，如下图所示。
Schermata-2016-01-22-alle-08.28.53.png
现在转到CubeMX的Configuration部分，并点击LWIP按钮。在DHCP部分禁止DHCP模块，然后分配一个静态IP地址，如下图所示。
Schermata-2016-01-22-alle-08.30.51.png
IP地址必须与你的网络配置相匹配。点击OK按钮。OK，我们已经准备好生成工程代码。转到菜单 Project->Generate Code。选择你喜欢的项目名称（我命名为nucleo-f7），但要确保在Toolchain/IDE选择的是SW4STM32，如下图所示。
Schermata-2016-01-22-alle-08.34.15.png
点击OK按钮。


第3步：在Eclipse中导入CubeMX项目

现在我们可以将使用CubeMX生成的工程导入到创建的Eclipse工程里面。为了做到这一点，我们将要使用我制作的一个工具，名字叫CubeMXImporter，可以在我的github账户获得。该工具基于Python 2.7和lxml库。可以在这里找到所有的安装指令。CubeMXImporter安装完成后，打开终端命令行，并输入以下指令：
  1. $ python cubemximporter.py <path-to-eclipse-project-folder> <path-to-cubemx-project>
复制代码
例如，如果你将Eclipse工程起名为tm32-nucleo144-f7，且CubeMX工程起名为nucleo-f7，那么该指令需要通过以下方式调用：
  1. $ python cubemximporter.py <path-to-eclipse-workspace>/stm32-nucleo144-f7 <path-to-cubemx-output-directory>/nucleo-f7
复制代码
CubeMXImporter将会自动导入工程框架、CubeF7以及中间件库（LwIP和FreeRTOS）到Eclipse工程里面。

好了，现在我们可以在Eclipse中重新打开该工程。打开后，在Project Explorer视图的工程名上右击并选择Refresh项。
通过使用建议的CubeMXImporter工具，现在我们需要手动做一些事情。首先，我们需要为Cortex-M7设定正确的FPU配置。转到Project Settings->C/C++ Build->Settings->Target Processor。在Float ABI字段选择"FP instructions (hard)"，并且在FPU Type字段选择“fpv5-sp-d16”，如下图所示：
Schermata-2016-01-22-alle-08.47.47.png
点击OK。现在我们需要选择正确的FreeRTOS算法。在Project Explorer视图中，转到Middlewares/Third_Party/FreeRTOS/Source/portable/MemMang文件夹。选择文件heap_1.c、heap_2.c、heap_3.c和heap_5.c。右击并选择Resource Configurations->Exclude from build...。选择所有的工程配置，然后点击OK。现在我们可以编译该应用程序并且使用OpenOCD下载到NUCLEO板。
如果一切都正确的话，就可以ping到Nucleo开发板。


第4步：创建一个简单的HTTP服务器

现在，我们准备使用LwIP建立一个简单的HTTP服务器。我们需要做的第一件重要的事情是修改stm32f7_xx_it.c里面的SysTick_Handler()函数里面的内容。一个已知的Bug会引起HAL_IncTick() 调用被省略。所以，我们需要按照以下方式进行修改：
  1. void SysTick_Handler(void) {
  2.   HAL_IncTick();
  3.   osSystickHandler();
  4. }
复制代码
main() 的代码非常简单，我们首先初始化硬件，然后使用StartDefaultTask()函数创建一个新的线程。
  1. int main(void) {
  2.   /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  3.   HAL_Init();

  5.   /* Configure the system clock */
  6.   SystemClock_Config();

  8.   /* Initialize all configured peripherals */
  9.   MX_ADC1_Init();
  10.   MX_GPIO_Init();
  11.   MX_USART3_UART_Init();
  12.   MX_USB_OTG_FS_PCD_Init();

  14.   /* Create the thread(s) */
  15.   /* definition and creation of defaultTask */
  16.   osThreadDef(defaultTask, StartDefaultTask, osPriorityNormal, 0, 128);
  17.   defaultTaskHandle = osThreadCreate(osThread(defaultTask), NULL);

  19.   /* Start scheduler */
  20.   osKernelStart();
  21.   
  22.   /* We should never get here as control is now taken by the scheduler */
  23.   while (1);
  24. }
复制代码
StartDefaultTask()函数只是初始化LwIP栈以及启动HTTP服务器。
  1. void StartDefaultTask(void const * argument) {
  2.   /* init code for LWIP */
  3.   MX_LWIP_Init();

  5.   http_server_netconn_init();
  6.   /* Infinite loop */
  7.   for(;;)  {
  8.     osThreadTerminate(NULL);
  9.   }
  10. }
复制代码
有关HTTP服务器是如何工作的介绍并不在本片教程的范围：它需要专门的文章介绍。所有的底层工作有http_server_serve()函数完成，该函数仅仅扫描一些已知字符串的HTTP请求。剩余的工作由jQuery执行。
  1. void http_server_serve(struct netconn *conn) {
  2.   struct netbuf *inbuf;
  3.   err_t recv_err;
  4.   char* buf;
  5.   u16_t buflen;

  7.   /* Read the data from the port, blocking if nothing yet there. 
  8.    We assume the request (the part we care about) is in one netbuf */
  9.   recv_err = netconn_recv(conn, &inbuf);
  10.   
  11.   if (recv_err == ERR_OK)
  12.   {
  13.     if (netconn_err(conn) == ERR_OK) 
  14.     {
  15.       netbuf_data(inbuf, (void**)&buf, &buflen);
  16.     
  17.       /* Is this an HTTP GET command? (only check the first 5 chars, since
  18.       there are other formats for GET, and we're keeping it very simple )*/
  19.       if ((buflen >=5) && (strncmp(buf, "GET /", 5) == 0))
  20.       {
  21.               if (strncmp((char const *)buf,"GET /index.html",15)==0) {
  22.                       netconn_write(conn, (const unsigned char*)index_html, index_html_len, NETCONN_NOCOPY);
  23.               }
  24.               if (strncmp((char const *)buf,"GET /led1", 9) == 0) {
  25.                       HAL_GPIO_TogglePin(LD1_GPIO_Port, LD1_Pin);
  26.               }
  27.               if (strncmp((char const *)buf,"GET /led2", 9) == 0) {
  28.                       HAL_GPIO_TogglePin(LD2_GPIO_Port, LD2_Pin);
  29.               }
  30.               if (strncmp((char const *)buf,"GET /led3", 9) == 0) {
  31.                       HAL_GPIO_TogglePin(LD3_GPIO_Port, LD3_Pin);
  32.               }
  33.               if (strncmp((char const *)buf,"GET /btn1", 9) == 0) {
  34.                       if(HAL_GPIO_ReadPin(User_Blue_Button_GPIO_Port, User_Blue_Button_Pin) == GPIO_PIN_SET)
  35.                               netconn_write(conn, (const unsigned char*)"ON", 2, NETCONN_NOCOPY);
  36.                       else
  37.                               netconn_write(conn, (const unsigned char*)"OFF", 3, NETCONN_NOCOPY);
  38.               }
  39.               if (strncmp((char const *)buf,"GET /adc", 8) == 0) {
  40.                       sprintf(buf, "%2.1f °C", getMCUTemperature());
  41.                       netconn_write(conn, (const unsigned char*)buf, strlen(buf), NETCONN_NOCOPY);
  42.               }
  43.       }
  44.     }
  45.   }
  46.   /* Close the connection (server closes in HTTP) */
  47.   netconn_close(conn);
  48.   
  49.   /* Delete the buffer (netconn_recv gives us ownership,
  50.    so we have to make sure to deallocate the buffer) */
  51.   netbuf_delete(inbuf);
  52. }
复制代码
webpages/index.html包含HTML代码。该代码使用UNIX指令xxd转换成C字符串：
  1. xxd -i index.html > index.h
复制代码
并且嵌入到最终的固件（STM32F7有足够的空间来保存整个的HTML文件）。该网页可以通过 http://<nucleo-ip>/index.html访问。
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