RT-Thread RECA学习营（一）——正点原子战舰 V3 RT-Thread BSP 移植

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前言

最近在准备六月份的 RT-Thread 的 RECA（RT-Thread开发者能力认证），官方组织了一个学习营，第一周的任务是：

基于 rt-thread4.0.2，能根据BSP制作教程及群里分享的视频《2.RTThread移植》，让自己的板子在RT-Thread上运行起来，了解BSP的制作。

本文并没有将 BSP 移植背后的原理全部弄清楚，只是想着先迈出第一步，不求甚解，先把整个流程给跑通。

我手上的开发板是正点原子的战舰 V3，所以我将基于 RT-Thread 官方的 STM32F1 系列 BSP 通用模板构建战舰 V3 的 BSP。

下载 RT-Thread 源码

从官网下载 RT-Thread 源码，我下载的版本是 V4.0.2。源码目录结构如下：

RTThread文件目录

目录名 描述
rt-thread RT-Thread 的源文件。
- bsp RT-Thread 官方已经支持的 BSP。
- components RT-Thread 的各个组件目录。
- documentation RT-Thread 相关文档。
- examples RT-Thread 相关例程。
- include RT-Thread 内核的头文件。
- libcpu 各类芯片的移植代码，此处包含了 STM32 的移植文件。
- src RT-Thread 内核的源文件。
- tools RT-Thread 命令构建工具的脚本文件。

复制通用模板

制作新 BSP 的第一步是复制一份同系列的 BSP 模板作为基础，通过对 BSP 模板的修改来获得新 BSP。战舰 V3 采用的芯片是 STM32F103ZET6，所以我们需要使用 STM32F1 系列的模板。模板位于rt-thread\bsp\stm32\libraries\templates\stm32f10x，BSP 模板文件夹结构如下所示：

BSP模板目录

拷贝模板文件夹下的 stm32f10x 文件夹到rt-thread\bsp\stm32下，并将该文件夹的名称改为 stm32f1-my-diy，之后我们就在这个文件夹的基础上进行移植。

在接下来的 BSP 的制作过程中，将会修改 board 文件夹内的配置文件，将 F1 系列的 BSP 模板变成一个适用于正点原子战舰 V3 开发板的 BSP ，下表总结了 board 文件夹中需要修改的内容：

项目 需要修改的内容说明
CubeMX_Config （文件夹） CubeMX 工程
linker_scripts （文件夹） BSP 特定的链接脚本
board.c/h 系统时钟、GPIO 初始化函数、芯片存储器大小
Kconfig 芯片型号、系列、外设资源
SConscript 芯片启动文件、目标芯片型号

安装 CubeMX

下载 CubeMX

CubeMX 是基于 eclipse 的一个插件，用来对STM32产品的配置及初始化代码的生成。下载可以去 ST 中国站 –> 设计资源 –> 固件和软件 –> PC 端软件 –> STM32CubeMX

我下载的版本是 2020.04.21 更新的 V5.6.1。

在官网上下载要求先登陆账号，所以没有账号的同学需要先自行注册一个账号，中国站可以直接通过微信注册。

CubeMX下载路径图

安装 CubeMX

前面已经说了 CubeMX 是基于 eclipse 的，所以它的运行需要依赖 Java 运行环境，后续具体的步骤可以参考STM32CubeMX系列教程02_STM32CubeMX工具、HAL库下载、安装说明，写得非常详细。

使用 CubeMX 配置工程

模板文件内已经有 CubeMX 工程了，位于stm32f1-my-diy\board\CubeMX_Config下，双击打开 CubeMX_Config.ioc 工程。

双击打开CubeMX工程

配置芯片

我使用的是正点原子战舰 V3 的开发板，使用的 CPU 是 STM32F103ZET6，CubeMX 模板工程使用的并不是这个芯片，所以我需要重新配置芯片为「STM32F103ZETx」。

CubeMX选择芯片

启用系统时钟

紧接着配置系统时钟，启用高速外部时钟(HSE)和低速外部时钟(LSE)：

CubeMX启用系统时钟

打开串口外设

Connectivity –> USART1 –> Mode:Asynchronous，将 USART1 配置为异步模式。

注意这里只需要选择串口外设引脚即可，无需配置其他参数。这里配置串口是为了后续使用 RT-Thread 的 FinSH 组件。

CubeMX配置USART1

配置完成后，我们可以把右边的芯片图放大，然后就能看到芯片右侧的 PA10、PA9 引脚变成了绿色，后面还跟了当前引脚的功能，其中 PA10 引脚是 UASRT1 的接收引脚，PA9 是 UASRT1 的发送引脚。

CubeMXUSART1引脚图

设置调试方式

System Core –> SYS –> Debug:Serial Wire，将调试配置 SWD 模式，这种模式一个最大的优点就是占用的 IO 口较少，我们从右侧的芯片图可以看到 SWD 模式只使用了两个 IO 口 PA13 和 PA14。

CubeMX配置调试模式

时钟配置

HSE 是高速外部时钟，可接石英/陶瓷谐振器，或者接外部时钟源，频率范围为 4MHz~16MHz。战舰 V3 开发板接的是 8M 的晶振。

LSE 是低速外部时钟，接频率为 32.768kHz 的石英晶体。 这个主要是 RTC 的时钟源。

根据正点原子《STMF1 开发指南》，这一步进行的时钟配置为：

  • 启用 HSE 作为 PLL 时钟源
  • 设置 PLL 9 倍倍频
  • 选择系统时钟源为 PLL
  • 设置 APB1 分频系数为 2

CubeMX配置时钟

最后总结一下配置过后关键时钟频率值：

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SYSCLK(系统时钟) 			   =72MHz
PLL 主时钟 					=72MHz
AHB 总线时钟（HCLK=SYSCLK/1）   =72MHz
APB1 总线时钟（PCLK1=HCLK/2）   =36MHz
APB2 总线时钟（PCLK2=HCLK/1）   =72MHz

生成 CubeMX 项目

CubeMX生成代码

最后生成的时候，因为我们复制过来的模板工程里面本来就有 CubeMX 项目，选择直接覆盖即可。

拷贝时钟初始化函数

在 board/board.c 文件中存放了函数 SystemClock_Config() ，该函数负责初始化系统时钟。当使用 CubeMX 工具对系统时钟重新配置的时候，需要更新这个函数。

该函数由 CubeMX 工具生成，默认存放在board/CubeMX_Config/Src/main.c 文件中。但是该文件并没有被包含到我们的工程中，因此需要将这个函数从 main.c 中拷贝到 board/board.c 文件中。该函数内容如下：

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/**
  * @brief System Clock Configuration
  * @retval None
  */
void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

  /** Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks 
  */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;	//时钟源为 HSE
  RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;						//打开 HSE
  RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;		//HSE 预分频
  RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;						//打开 HSI
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;					//打开 PLL
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;			//PLL 时钟源选择 HSE
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;					//设置 PLL 倍频系数
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  /** Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks 
  */
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;		//设置系统时钟时钟源为 PLL
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;	//AHB 分频系数为1
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;		//APB1 分频系数为2
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;		//APB2 分频系数为1

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

修改 board.h

在 board.h 文件中配置了 FLASH 和 RAM 的相关参数，这个文件中需要修改的是 STM32_FLASH_SIZE 和 STM32_SRAM_SIZE 这两个宏控制的参数。

战舰 V3 所使用的 STM32F103ZET6 芯片的 FLASH 大小为 512K，RAM 的大小为 64K，因此对该文件作出如下的修改：

修改board头文件

修改 Kconfig 选项

在本小节中修改 board/Kconfig 文件的内容有如下两点：

  • 芯片型号和系列
  • BSP 上的外设支持选项

芯片型号和系列的修改如下表所示：

宏定义 意义 格式
SOC_STM32F103ZE 芯片型号 SOC_STM32xxx
SOC_SERIES_STM32F1 芯片系列 SOC_SERIES_STM32xx

关于 BSP 上的外设支持选项，一个初次提交的 BSP 仅仅需要支持 GPIO 驱动和串口驱动即可，因此在配置选项中只需保留这两个驱动配置项，如下图所示：

Kconfig选项

修改工程构建相关文件

接下来需要修改用于构建工程相关的文件。

修改链接脚本

linker_scripts 链接文件如下图所示：

链接脚本目录

其中 MDK 使用的链接脚本是 link.sct ，其他两个链接脚本的文件分别为 IAR 使用的 link.icf 和 GCC 编译器使用的 link.lds。我使用的是 MDK，所以修改 link.sct 文件。

战舰 V3 使用的芯片为 STM32F103ZE，FLASH 为 512K，因此修改 LR_IROM1 和 ER_IROM1 的参数为 0x00080000（512 * 1024）。RAM 的大小为 64K， 因此修改 RW_IRAM1 的参数为 0x00010000（64 * 1024）。

修改链接脚本

修改 SConscript 构建脚本

SConscript 脚本决定 MDK/IAR 工程的生成以及编译过程中要添加文件。

在这一步中需要修改芯片型号以及芯片启动文件的地址，战舰 V3 使用的芯片是 STM32F103ZET6，所以使用的启动文件是 startup_stm32f103xe.s，对应的芯片型号是 STM32F103xE。最后修改内容如下图所示：

修改SConscript构建脚本

修改 MDK 工程模板

template 文件是生成 MDK/IAR 工程的模板文件，通过修改该文件可以设置工程中使用的芯片型号以及下载方式。MDK4/MDK5/IAR 的工程模板文件，如下图所示：

工程模板目录

我使用的 MDK5，所以我修改的模板是 template.uvprojx 文件。

  • 战舰 V3 所使用的的芯片型号为 STM32F103ZET6，所以修改芯片型号如下：

MDK5模板工程修改芯片型号

  • 修改程序下载方式：

MDK5模板工程修改默认下载方式

修改完成后记得 Ctrl+S保存。

安装 ENV 工具

Env 工具简介

Env 是 RT-Thread 推出的开发辅助工具，针对基于 RT-Thread 操作系统的项目工程，提供编译构建环境、图形化系统配置及软件包管理功能。

其内置的 menuconfig 提供了简单易用的配置剪裁工具，可对内核、组件和软件包进行自由裁剪，使系统以搭积木的方式进行构建。

Env 工具包含了 RT-Thread 源代码开发编译环境和软件包管理系统。

下载安装 Env 工具

  • 从 RT-Thread 官网下载 Env 工具，将其解压到任一纯英文路径下即可使用，在 Env 目录下有一张 Add_Env_To_Right-click_Menu.png(添加 Env 至右键菜单.png) 的图片，按照图片指引一步步操作，就可以在任意文件夹下通过右键菜单来启动 Env 控制台，效果如下：任意路径右键打开Env

  • 在电脑上装好 git，软件包管理功能需要 git 的支持。git 的下载地址为https://git-scm.com/downloads，根据向导正确安装 git，并将 git 添加到系统环境变量。

  • 注意在工作环境中，所有的路径都不可以有中文字符或者空格。

重新生成 MDK 工程

重新生成 rtconfig.h 文件

在 env 界面输入命令 menuconfig 对工程进行配置。

menuconfig界面

menuconfig快捷键介绍

修改配置

menuconfig 有多种类型的配置项，修改方法也有所不同，常见类型如下：

  • 开/关 型：使用空格键来选中或者关闭
  • 数值、字符串型：按下回车键后会出现对话框，在对话框中对配置项进行修改

我们目前的目的仅仅是移植 BSP，所以先不进行复杂的配置，只使能 GPIO 和 UART：

  • Hardware Drivers Config –> On-chip Peripheral Drivers –> 使能「Enable GPIO」和「Enable UART」
  • 「Enable UART」 –> 「Enable UART1 RX DMA」

保存配置

选择好配置项之后按 ESC 键退出，选择保存修改即可自动更新 rtconfig.h 文件。此时再次使用 scons 命令就会根据新的 rtconfig.h 文件重新编译工程了。

重新生成 MDK5 工程

使用 env 工具输入命令 scons --target=mdk5 重新生成工程，如下图所示：

重新生成MDK5工程

重新生成工程成功：

重新生成MDK5工程成功

生成新的 MDK5 工程以后，我们可以看到 project.uvprojx 的修改日期已经变成刚刚进行生成操作时的日期了。

验证 MDK5 工程

双击打开 project.uvprojx，检查后发现在我们没有进行设置的情况下，此工程芯片型号、默认下载设置都和我们之前对模板工程的修改保持一致，说明我们之前的修改是生效了的。

我们通过左边的项目框架里可以看到，相比模板工程的空空如也，新工程已经是五脏俱全了。打开 Applications --> main.c，内容很简单，在 main 主函数内只有一个让 LED0 闪烁的程序，直接编译，没有任何错误和警告。为了方便调试和及时查看运行结果，设置程序下载结束后自动重启并运行：

MDK5修改下载后重启

连上战舰 V3 开发板，直接烧录程序，会发现 LED 并没有亮起来，检查代码后会发现，程序默认定义的 LED0 是引脚 PB.1，通过而查看战舰开发板的原理图，发现战舰开发板的 LED0 连接的是 PB.5 引脚，将引脚进行更改后编译，再烧入程序，LED0 正常闪烁。

验证MDK5工程

后记

至此，我们的 BSP 移植就算成功了。但回顾整个移植过程，发现自己不明白的地方还太多了，特别是如何由模板工程直接构建出一个能够直接运行的工程，在没有了解其中原理之前，这个过程对我这个菜鸟而言无异于「魔法」；我开始移植的基础是 RT-Thread 内置的 STM32F1 系列通用模板，这个模板我是拿过来就用的，但这个模板是如何一步步构建起来的，我也完全没有弄清楚；CubeMX 图形化的操作方式固然对新手非常友好，但无疑也让我对底层代码的理解隔了一层「黑盒」。

第一步已经迈出去了，希望通过后面的学习能够解答我上面诸多疑惑，学习不就正是这样一个发现问题，解决问题的过程。

参考链接

RT-Thread 官方 STM32 系列 BSP 制作教程

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  • 本文标题： RT-Thread RECA学习营（一）——正点原子战舰 V3 RT-Thread BSP 移植
  • 本文作者： Asurada
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