实战经验 | 在 STM32MP13x 系列 MPU 上裸跑应用程序

只看该作者 · 2024-11-26 14:59

本帖最后由 STM新闻官于 2024-11-26 15:11 编辑

01 引言
STM32MP13x 系列 MPU 是 STM32 Arm®Cortex® MPU 家族中的一部分，它拥有单核Cortex®-A7 核心，支持核心频率 650MHz~1GHz，不仅能够轻松运行 Linux 操作系统，还同时提供官方 HAL 库，用于支持基于 RTOS 或无 OS 的项目方案，即裸跑应用程序。

本应用文档将就以下几个部分简述如何在 STM32MP13 系列 MPU 上开始无 OS 项目的开发：

• STM32MP13x Baremetal 开发环境简介

• STM32MP13x 工程的创建

• STM32MP13x 工程的在线调试

• 镜像烧录及从外部 Flash 启动

02 STM32MP13x Baremetal 开发环境简介

2.1 开发工具及环境

STM32MP13x Baremetal 开发工具主要包括：

1. 烧录工具：STM32CubeProg （版本大于 v2.15.0）

2. 配置工具：STM32CubeMX （版本大于 v6.10.0）

3. 开发调试工具：IAR（版本大于 v9.50），或 STM32CubeIDE（版本大于 v1.14）

本文示例基于 STM32CubeIDE 开发调试工具。

2.2 STM32CubeMP13 开发包
STM32CubeMP13 开发包同步发布于 ST 官网 www.st.com 和 github.com，可通过如下方式下载：
1. ST 官网下载链接
2. Github 仓库链接
3. 通过 STM32CubeMx 软件下载

2.2.1. STM32CubeMP13 开发包总览

STM32CubeMP13 开发包运行在 Arm® Cortex®-A7 处理器上，由以下三部分组成：

• Level 0：驱动程序，包含 HAL、LL、BSP、CMSIS

• Level 1：中间件，包含 Eclipse ThreadX（原 AzureRTOS），USB Host & Device 库

• Level 2：包含各种板级示例程序

除此之外，还包括一些工具助手等。

▲ 图 1 Baremetal 开发包源码框架

2.2.2. 源码目录结构

▲ 图 2 Baremetal 开发包源码目录

2.2.3. 开发包支持模块列表

已支持的 HAL drivers :

• ADC, BSEC, CRC, CRYP (including SAES), DCMIPP, DDR, DFSDM, DMA,DTS, ETH, ETZPC, EXTI, FDCAN, FMC_NAND, GPIO, HASH, I2C, I2S, IWDG,LPTIM, LTDC, MCE, MDMA, PKA, PWR, XSPI (QSPI replaced with XSPI),RCC, RNG, RTC (including TAMP), SAI, SDMMC (including EMMC), SMARTCARD, SPDIFRX, SPI, TIM, UART, USART, USB

已支持的 LL drivers :
• ADC, DMA/DMAMUX, EXTI, ETZPC, GPIO, I2C, LPTIM, MDMA, PWR, RCC & BUS, RTC, SPI, TIM, USART

BSP 与 BSP 组件:
• 基于 HAL 封装了更高一级的 API，为 LED、按钮、相机、LCD、SD 卡和 COM 端口提供 API，包含了以下一些外围器件的驱动：GC2145， LAN8742， MCP23，x17RK043FN48H， STMIPID02

中间件程序:
• 包含一系列支持某种服务的库文件及接口文件，目前已支持：Eclipse ThreadX（原 AzureRTOS），STM32_USB_Device_Library,STM32_USB_Host_Library

项目工程:
• Examples：基于 HAL 接口的简单示例，没有中间件功能。
• Applications：较完整的工程应用实例，包含中间件功能。
• External_Loader: 烧录镜像及从外部存储器启动的应用示例。
• Template: 板级工程应用框架。

实用工具:
• Imageheader：用于添加 stm32 头，支持存储设备启动。
• Fonts：提供了一组用于显示的标准字体，包括 font8，font12，font16，font20，font24

03 STM32MP13x 工程的创建

STM32MP13x 工程创建，可通过以下两种方式：

1. 使用 STM32CubeMx 配置并生成项目框架代码，并基于该框架代码开发应用。

2. 导入 STM32CubeMP13 开发包示例工程代码，并基于该示例代码开发应用。

3.1. 从 STM32CubeMX 创建工程

STM32CubeMX 是 STM32Cube 工具家族中的一员，它采用简单易用的图形界面，可以帮助开发者快速配置硬件和软件。可支持从 MCU/MPU 选型，引脚配置，系统时钟以及外设时钟设置，到外设参数配置，中间件参数配置等，并可生成适用的 C 代码项目。

本章节简述如何通过 STM32CubeMx 生成适用于 STM32MP13x 的裸跑应用框架。使用该方式无需提前下载 STM32CubeMP13 开发包，STM32CubeMx 可自动联网下载。

1. 打开 STM32CubeMX，点击 ACCESS TO MCU SELECTOR，

2. 在搜索框中输入 STM32MP13 相应料号，如：STM32MP135FAF7，双击打开配置窗口

3. 弹框选择 MP13 Bare Metal，将生成 bare metal 工程框架。

▲ 图 3 STM32CubeMx 选择器件

▲ 图 4 STM32CubeMx 选择工程类型

4. 切换到 Project Manager 标签页，输入工程名称。

5. 在此页进行项目选项配置，可保持默认。

▲ 图 5 STM32CubeMx 工程设置页面

6. 回到 Pinout & Configuration 标签页。

7. 使能 RCC 和 DDR。

8. 配置各外设总线，配置方法与其他 STM32 MCU 相同（也可参考 Help -> Docs & Resources）

▲ 图 6 STM32CubeMx 外设配置页面

9. 切换到 Clock Configuration 标签页。

10. 若软件报告时钟错误，可点击 Yes 自动修复。

11. 输入 CPU、DDR、总线等的工作频率，系统会自动匹配合适参数。

▲ 图 7 STM32CubeMx 时钟配置页面

12. 所有外设配置完成，即可点击 GENERATE CODE，开始生成工程代码。

13. 若第一次使用，软件将提示是否下载 STM32CubeMP13 开发包，可点击“yes”，软件自动联网下载前述 STM32CubeMP13 开发包。

14. 生成完成后，可直接点击 Open Project，将打开 STM32CubeIDE 工程。

▲ 图 8 STM32CubeMx 代码生成页面

▲ 图 9 STM32CubeMx 完成代码生成页面

▲ 图 10 STM32CubeMx 生成工程代码示例

15. 至此，工程框架已生成，可通过 STM32CubeIDE 进行用户代码的编辑、编译、调试。

3.2. 从 STM32CubeMP13 开发包导入工程

若已事先通过 ST 官方网站或 Github 下载了 STM32CubeMP13 软件开发包，也可导入开发包中的工程示例代码，从示例代码开始进行项目开发。

这里以 FSBLA_Sdmmc1 工程为例。

项目路径：\Projects\STM32MP135C-DK\Applications\FSBLA\FSBLA_Sdmmc1

1. 打开 STM32CubeIDE，导入 project

2. 点击 Files -> Import…

▲ 图 11 STM32CubeIDE 右键项目菜单

3. 选择 Existing Projects into Workspace

4. 点击 Next>

▲ 图 12 STM32CubeIDE 导入已存在项目

5.点击 Browse…，找到目录 \Projects\STM32MP135C-DK\Applications\FSBLA

6. 选中 FSBLA_Sdmmc1_A7 工程

7. 点击 Finish，导入 Project

▲ 图 13 STM32CubeIDE 选择导入项目

8. 工程导入完成。

04 STM32MP13x 工程的在线调试
工程创建完成后，接下来本章节将介绍如何基于 STM32CubeIDE 进行工程编译及在线调试。

STM32MP135 内部包含 128KByte SYSRAM，若代码小于 128KByte，可直接运行于内部SYSRAM 中，适用于验证一些简单的外设实例。若代码大于 128KByte，则需要将程序运行于DDR 中。下面将分别阐述。

4.1. 在 SYSRAM 中调试程序

仍以前述导入的 FSBLA_Sdmmc1_A7 工程为例。

1. 首先，将开发板切换到工程模式

2. 连接 Type-C 电源

3. 连接 MicroUSB，这里板载已支持 ST-Link

▲ 图 14 开发板切换工程模式

4. 右键项目工程名称，选择 Build Project，完成编译。

▲ 图 15 选择编译工程

5. 右键工程名称，选择 Debug As -> STM32 C/C++ Application

▲ 图 16 选择调试项目方法 1

6. 或点击 Debug 图标

7. 进入 Debug Configurations….

▲图 17 选择调试项目方法 2

8. 进入调试配置菜单

▲图 18 调试配置页面

9. 即可像 MCU 一样调试您的代码。

▲图 19 项目调试窗口

4.2. 在 DDR 中调试程序

当代码量超过 SYSRAM(128KB)的大小时，需要将程序运行在 DDR。这里以 BSP_BasicTemplates 工程为例展示如何开发运行于 DDR 的用户程序、

1. 首先，按照前述方法导入项目工程

▲图 20 导入 Templates 工程

2. 打开 C/C++ Build 配置

3. 在 Preprocessor 中添加 USE_DDR 宏定义

▲图 21 使能 DDR 宏

4. 修改链接文件，重命名为 “stm32mp13xx_a7_ddr.ld”

5. 修改 REGION_ALIAS 定义到 DDR 区域：

6. 重新编译后，目标文件将链接到 DDR

▲图 22 修改链接空间

▲图 23 选择链接文件

7. 在调试之前需要先运行 DDR_Init 对 DDR 进行初始化

8. 按照前述方法导入 DDR_Init 工程，编译后全速运行一次，并保持开发板不掉电项目路径：\STM32MP135C-DK\Examples\DDR\DDR_Init

▲ 图 24 运行 DDR 初始化

9. 回到 BSP_BasicTemplates 工程。

10. 在 Debug configuration 对话框中，将 Startup 页面的 monitor reset 删除。

▲ 图 25 修改调试参数

11. 点击 Debug 进入调试

12. 可以看到当前 main 函数的地址已经为 0xC000 开头的 DDR 位置

▲ 图 26 在 DDR 中调试工程

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05 从外部 Flash 启动

▲ 图 27 STM32MP13 启动流程
从外部 flash 引导 STM32MP13，一般需要包含两个部分源码。如上图所示，芯片上电后，首先运行内部固化的一段 ROM CODE，ROM CODE 从用户配置的启动器件中寻找 FSBLA，并将其拷贝至 SYSRAM 中，FSBLA 运行后，执行 DDR 初始化及用户代码（CUBE EXAMPLE）拷贝到 DDR 中，最终实现跳转到 DDR 中运行用户程序的目的。

这里以 SDCard 启动为例，在第三章节中，我们编译调试的 FSBLA_Sdmmc1_A7 工程，即实现了 FSBLA 部分的功能，BSP_BasicTemplates 工程为实际开发的用户项目。完成启动需要将这两个工程生成的镜像文件都烧录到 SDCard 中。

• FSBLA 需烧录到 SDCard 的固定位置 LBA128 或 LBA640，ROM CODE 固定从这两个位置寻找 FSBLA。

• CUBE EXAMPLE 的存放位置可在 FSBLA 程序中修改，默认为 SDCard 的 LBA640。

• 如果有烧录过 OpenSTLinux 的卡，需先格式化。原因是 ROM Code 优先从 GPT 分区表中寻找 FSBLA，若分区表存在，新烧录到 LBA128 位置的 FSBLA 将会被忽略。

▲ 图 28 镜像在 SDCard 中的 Layout

需要注意的是，FSBLA 和 CUBE EXAMPLE 都需要加入 STM32 Header，才能被系统识别。STM32 Header 是 ROM CODE 加载二进制文件的必要格式，每一个被 ROM CODE 加载的二进制文件都需要在头部添加特定的 STM32 Header。STM32CubeMP13 开发包中提供了ImageHeader 工具，用于为项目二进制文件添加 STM32 Header。开发者不需要深究 STM32Header 的详细内容。关于更多 STM32 Header 的信息，可以参考:https://wiki.st.com/stm32mpu/wiki/STM32_header_for_binary_files，这里不做赘述。

▲ 图 29 STM32 Header 信息

为用户程序加入 STM32 Header，可在工程配置的 post-build steps 中加入如下命令：“(path_to_STM32CubeMP13Package)/Utilities/ImageHeader/postbuild_STM32MP13.sh""${gnu_tools_for_stm32_compiler_path}" "${BuildArtifactFileBaseName}"重新编译完成后，即可生成打上 STM32 Header 的目标文件。

▲ 图 30 添加 Post-build 命令

注：path_to_STM32CubeMP13 Package 为 STM32CubeMP13 开发包的存放路径。

至此，已准备好待烧入 SDCard 的目标文件：
1. 已添加 STM32 Header 的 FSBLA_Sdmmc 目标文件：FSBLA_Sdmmc1_A7_Signed.bin （即 FSBL）
2. 已添加 STM32 Header 的 CUBE EXAMPLE 目标文件：MP13_BSP_BasicTemplates.stm32（即用户工程）

烧录工程位于 STM32CubeMP13 开发包的如下目录:

\Projects\STM32MP135C-DK\External_Loader，以二进制的方式提供了烧录时需要的两个引导文件，包括：

1.STM32PRGFW_UTIL_MP13xx_CP_Serial_Boot.stm32

2.SD_Ext_Loader.bin其中，STM32PRGFW_UTIL_MP13xx_CP_Serial_Boot.stm32 为基于开源工程。

Openbootloader 实现的一套 IAP 应用，执行烧录流程管理。SD_Ext_Loader.bin 工程执行SDCard 设备的实际擦写操作。

目前，引导设备可支持 SDCard，QSPI NOR FLASH、EMMC 等，若项目开发中需要修改适配不同的存储设备，可联系 ST 窗口获取烧录工程源码。

将需要烧录的两个文件拷贝到 External_Loader 目录下，与烧录工程的两个文件存放在相同位置，然后修改 tsv 文件。完成后，目录中文件列表和 tsv 文件内容如图所示。