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STM32开发常见问题及解决策略
1. 外设时钟启用
对于UART等外设，启用时钟的调用可能很简单，例如：
rcc_periph_clock_enable(RCC_USART1);
显然，如果外设时钟被禁用（如复位后），外设将无法正常工作。
2. ISR中FreeRTOS崩溃问题
FreeRTOS对在中断服务程序（ISR）中可以调用和不能调用的函数有规则。任务可以随时调用
xQueueSend()
，但ISR必须使用
xQueueSendFromISR()
函数。中断本质上是异步的，任何非可重入的函数调用都可能有问题。违反此规则可能会导致间歇性故障。
3. 栈溢出问题
创建任务时必须预先确定栈大小，例如：
xTaskCreate(monitor_task,"monitor",350,NULL,1,NULL);
上述调用的第三个参数为任务栈分配了350个字的存储空间（每个字4字节）。
xTaskCreate()
函数从堆中分配栈空间。如果栈大小不足，会导致内存损坏，结果不可预测。
FreeRTOS提供了三种检查栈溢出的方法，由
FreeRTOSConfig.h
文件中的
configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW
宏定义决定：
| 宏定义值 | 检查方式 | 效率 |
| ---- | ---- | ---- |
| 0 | 不检查溢出，运行效率最高 | 最高 |
| 1 | 进行快速栈检查 | 中等 |
| 2 | 进行更彻底的栈检查，运行效率最低 | 最低 |
当宏定义为非零值时，必须提供一个在栈溢出时调用的函数：
void
vApplicationStackOverflowHook(
xTaskHandle *pxTask,
signed portCHAR *pcTaskName
) {
// 可以做一些操作，比如闪烁LED
}
4. 栈大小估计
对于调用库例程（尤其是第三方库）的函数，估计所需栈大小可能很困难。FreeRTOS提供了一个帮助函数：
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
// 返回字的数量
UBaseType_t uxTaskGetStackHighWaterMark(TaskHandle_t task);
该函数返回未使用的栈字数。返回值越接近零，任务栈溢出的可能性就越大。不过，该函数调用成本较高，建议仅在调试时使用。
5. 调试器无法发挥作用的情况
调试设备驱动程序时，可能会涉及中断和超时，单步执行代码可能无济于事。此时，可以收集崩溃位置或最后成功处理的事件等线索。在ISR中，可以通过激活LED等简单方式传达事件。如果有数字存储示波器（DSO）或逻辑分析仪，在多个GPIO上发出信号可以提供很多信息。在更极端的情况下，可以预留一个跟踪缓冲区，使用GDB中断STM32的执行并检查该缓冲区。
6. GPIO输出配置问题
一些问题集中在GPIO输出的使用上。例如，很多论坛帖子称SPI的硬件从机选择不起作用，但使用开漏配置和上拉电阻就可以解决。STM32支持多主模式SPI，多主总线元素必须使用上拉电阻，这样可以避免不同控制器之间的冲突。阅读STMicroelectronics数据手册时，要注意细则和脚注。
7. 外设缺陷
极少数情况下，可能会遇到外设行为不正确的问题。STM32外设是复杂的硅状态机，在某些情况或配置下可能存在缺陷。可以搜索并下载“STM32F1 Errata Sheet” PDF文件，了解可能出现的问题，通常会提供解决方法。
8. 资源获取
让STM32外设按预期工作可能会花费大量时间。获取外设信息的最佳来源是STMicroelectronics的“参考手册”RM0008，还可以搜索并下载“STM32F103x8 STM32F103xB PDF”文档，其中的表5“Medium-density STM32F103xx pin definitions”包含了重要的引脚配置信息。“Electrical Characteristics”部分对于估计功耗很有帮助。
9. libopencm3使用问题
libopencm3虽然有API维基，但开发新应用时可能会遇到一些未提供或不明显的答案。例如，不清楚何时可以在函数调用参数中组合不同值，何时必须分开提供。可以通过阅读API文档和查看源代码来解决这些问题。
例如，对于函数
void gpio_set(uint32_t gpioport,uint16_t gpios);
，可以使用C或（|）运算符在第二个参数中组合多个GPIO引用：
gpio_set(GPIOB,GPIO5|GPIO5);
但不能组合
gpioport
的值。
对于函数
bool usart_get_flag(uint32_t usart,uint32_t flag);
，如果组合标志，只会得到一个布尔结果，可能不是想要的。该函数定义如下：
bool usart_get_flag(uint32_t usart, uint32_t flag)
{
return ((USART_SR(usart) & flag) != 0);
}
10. FreeRTOS任务优先级
FreeRTOS提供多任务处理和多个优先级级别。任务优先级从0（最低优先级）到
configMAX_PRIORITIES - 1
（最高优先级），
configMAX_PRIORITIES
宏在
FreeRTOSConfig.h
文件中定义。空闲任务优先级为0，在没有其他任务准备好运行时运行。
FreeRTOS调度器会将CPU分配给处于就绪或运行状态的任务。如果有更高优先级的任务处于就绪或运行状态，低优先级任务将不会运行。这与Linux不同，在Linux中CPU会在不同优先级的进程间共享。在FreeRTOS中，低优先级任务需要高优先级任务处于挂起或阻塞状态才能获得CPU。
如果低优先级任务看起来冻结或挂起，可能需要调整优先级方案或确保任务按预期被阻塞/挂起。
11. libopencm3中的调度问题
libopencm3库独立于FreeRTOS开发，外设驱动程序等待外设事件时通常包含忙循环。例如：
void usart_wait_send_ready(uint32_t usart)
{
/* 等待数据传输到移位寄存器 */
while ((USART_SR(usart) & USART_SR_TXE) == 0);
}
该函数会消耗整个时间片，直到抢占式中断发生才会将CPU交给其他任务，效率较低且可能引入过多延迟。
为了更好地利用CPU，可以采取以下几种方法：
1. 接受现状（如果对应用程序不是关键问题）。
2. 将函数复制到自己的代码中并添加
taskYIELD()
调用。
3. 修改自己的libopencm3库副本。
4. 实现钩子功能并提交给libopencm3志愿者。
最简单的解决方法是第二种，修改后的代码如下：
void usart_wait_send_ready(uint32_t usart)
{
/* 等待数据传输到移位寄存器 */
while ((USART_SR(usart) & USART_SR_TXE) == 0)
taskYIELD(); // 使FreeRTOS友好
}
12. 总结与拓展
之前主要关注了STM32F103C8T6型号。如果想迎接更高级的挑战，可以考虑STM32F407系列设备，如Discovery开发板。STM32F4在SRAM、闪存和外设方面提供了更多功能，还包含硬件浮点运算，对某些应用程序的性能至关重要。
附录：练习题答案
第4章
-
蓝色药丸PCB上的内置LED使用哪个GPIO端口？请指定libopencm3宏名称。
答案：PORTC -
蓝色药丸PCB上的内置LED使用哪个GPIO引脚？请指定libopencm3宏名称。
答案：GPIO13 -
蓝色药丸PCB上的内置LED需要什么电平才能点亮？
答案：逻辑低电平（或零伏） -
在非多任务环境中，编程延迟中选择的循环次数受哪两个因素影响？
答案：- CPU时钟速率
- 指令执行时间
-
为什么在多任务环境中不使用编程延迟？
答案：因为系统中其他任务的时间安排会影响编程延迟的 elapsed 时间。 -
影响指令时序的三个因素是什么？
答案：- 所选平台
- CPU时钟速率
- 执行上下文（在闪存或SRAM中运行代码）
-
输入GPIO端口的三种模式是什么？
答案：- 模拟
- 数字，浮空
- 数字，上拉和下拉
-
弱上拉和下拉电阻是否参与模拟输入？
答案：否 -
输入端口的施密特触发器何时启用？
答案：GPIO或外设数字输入 -
弱上拉和下拉电阻是否参与输出GPIO端口？
答案：否，它们仅适用于输入。 -
为USART TX（发送）输出配置推挽操作时，应使用哪个专用宏？
答案：GPIO_CNF_OUTPUT_ALTFN_PUSHPULL -
配置引脚用于LED时，哪个GPIO模式宏更适合低电磁干扰（EMI）？
答案：GPIO_MODE_OUTPUT_2_MHZ（像GPIO_MODE_OUTPUT_10_MHZ这样的高速选择会消耗更多电流并产生额外的EMI）
第5章
-
blinky2中有多少个任务在运行？
答案：1 -
blinky2中有多少个控制线程在运行？
答案：两个线程：主线程和任务1 -
如果将
configCPU_CLOCK_HZ的值配置为36000000，blinky2的闪烁速率会发生什么变化？
答案：闪烁速率会加倍，因为FreeRTOS调度器期望CPU速度减半。 -
任务1的栈从哪里来？
答案：任务1的栈从堆中分配。 -
任务1() 何时开始？
答案：当调用vTaskStartScheduler()函数时 -
为什么需要消息队列？
答案：为了在不同的控制线程之间安全通信 -
即使使用执行延迟循环，为什么它似乎能以近50％的占空比工作？
答案：因为只有一个任务在执行，时序保持相当一致。 -
估计PC13上的LED点亮多长时间有多困难？为什么？
答案：由于指令时序、闪存预取等原因，很难估计。 -
使用示波器测量PC13的开和关时间（或计算每秒闪烁次数并取倒数）。LED点亮了多少毫秒？
答案：84 ms -
如果向该项目添加另一个消耗大部分CPU的任务，闪烁速率会受到怎样的影响？
答案：闪烁速率会显著减慢。
STM32开发常见问题及解决策略
13. 总结策略流程
为了更清晰地展示解决STM32开发中常见问题的策略，下面给出一个mermaid格式的流程图：
graph LR
A[遇到问题] --> B{问题类型}
B -->|外设时钟| C(启用外设时钟，如 rcc_periph_clock_enable(RCC_USART1))
B -->|ISR崩溃| D(使用xQueueSendFromISR代替xQueueSend)
B -->|栈溢出| E{选择检查方式}
E -->|0| F(不检查溢出)
E -->|1| G(快速栈检查)
E -->|2| H(彻底栈检查，提供溢出钩子函数)
B -->|栈大小估计| I(使用uxTaskGetStackHighWaterMark函数)
B -->|调试器无效| J(收集线索，使用LED或跟踪缓冲区)
B -->|GPIO输出| K(使用开漏配置和上拉电阻)
B -->|外设缺陷| L(下载Errata Sheet查找解决方法)
B -->|资源获取| M(参考RM0008和相关文档)
B -->|libopencm3使用| N(阅读API文档和查看源代码)
B -->|任务优先级| O(调整优先级方案或确保任务阻塞/挂起)
B -->|调度问题| P{选择解决方法}
P -->|1| Q(接受现状)
P -->|2| R(复制函数并添加taskYIELD())
P -->|3| S(修改libopencm3库副本)
P -->|4| T(实现钩子功能并提交)
14. 关键知识点表格汇总
| 问题类型 | 解决方法 | 代码示例 |
|---|---|---|
| 外设时钟启用 |
使用
rcc_periph_clock_enable
函数
|
rcc_periph_clock_enable(RCC_USART1);
|
| ISR中FreeRTOS崩溃 |
使用
xQueueSendFromISR
函数
| |
| 栈溢出检查 |
根据
configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW
宏选择检查方式
| |
| 栈大小估计 |
使用
uxTaskGetStackHighWaterMark
函数
|
UBaseType_t uxTaskGetStackHighWaterMark(TaskHandle_t task);
|
| 调试器无效 | 收集线索，使用LED或跟踪缓冲区 | |
| GPIO输出配置 | 使用开漏配置和上拉电阻 | |
| 外设缺陷 | 下载“STM32F1 Errata Sheet” PDF文件 | |
| libopencm3使用 | 阅读API文档和查看源代码 | |
| FreeRTOS任务优先级 | 调整优先级方案或确保任务阻塞/挂起 | |
| libopencm3调度问题 |
复制函数并添加
taskYIELD()
等方法
|
void usart_wait_send_ready(uint32_t usart) { while ((USART_SR(usart) & USART_SR_TXE) == 0) taskYIELD(); }
|
15. 代码使用注意事项列表
- 外设时钟启用 ：确保在使用外设前启用其时钟，否则外设将无法正常工作。
- ISR中FreeRTOS函数调用 ：严格遵循FreeRTOS规则，在ISR中使用特定的函数，避免崩溃。
- 栈溢出检查 ：根据实际需求选择合适的栈溢出检查方式，并提供相应的钩子函数。
-
栈大小估计
：使用
uxTaskGetStackHighWaterMark函数时，注意其调用成本较高，仅在调试时使用。 - libopencm3函数参数组合 ：仔细阅读API文档，确定函数参数是否可以组合使用，必要时查看源代码。
- 任务优先级设置 ：理解FreeRTOS任务优先级机制，根据任务的重要性合理设置优先级，避免低优先级任务被“冻结”。
-
libopencm3调度优化
：根据应用需求选择合适的调度优化方法，如添加
taskYIELD()调用提高CPU利用率。
16. 综合案例分析
假设我们正在开发一个基于STM32的项目，遇到了以下情况：
- 串口通信无法正常工作。
- 任务运行一段时间后出现异常。
针对这些问题，我们可以按照以下步骤进行排查和解决：
1.
检查外设时钟
：确认串口外设的时钟是否已启用，使用如下代码：
rcc_periph_clock_enable(RCC_USART1);
- 检查ISR函数调用 ：查看ISR中是否正确使用了FreeRTOS函数，确保没有违反规则。
-
检查栈溢出
：设置
configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW宏为合适的值，并提供栈溢出钩子函数，例如：
#define configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 1
void vApplicationStackOverflowHook(
xTaskHandle *pxTask,
signed portCHAR *pcTaskName
) {
// 闪烁LED表示栈溢出
// 相关代码实现
}
-
估计栈大小
：使用
uxTaskGetStackHighWaterMark函数检查任务的栈使用情况，判断是否存在栈溢出风险。
UBaseType_t unused_stack = uxTaskGetStackHighWaterMark(task_handle);
- 检查GPIO配置 ：如果涉及GPIO输出问题，检查是否使用了正确的配置，如开漏配置和上拉电阻。
- 查看外设缺陷文档 ：下载“STM32F1 Errata Sheet” PDF文件，查看是否存在已知的外设问题及解决方法。
-
优化调度
：对于libopencm3中的调度问题，考虑复制相关函数并添加
taskYIELD()调用，提高CPU利用率。
通过以上步骤，我们可以逐步排查并解决项目中遇到的问题，确保系统的稳定运行。
17. 未来开发建议
- 在开发前，充分了解STM32外设的特性和使用方法，阅读相关文档和数据手册，避免因基础知识不足导致的问题。
- 编写代码时，遵循良好的编程规范，合理设置任务优先级和栈大小，避免潜在的问题。
- 在调试过程中，善于利用各种工具和方法，如LED指示灯、DSO、逻辑分析仪等，快速定位问题。
- 对于libopencm3库，积极参与社区讨论，提交自己的改进和问题反馈，共同完善库的功能。
总之，STM32开发过程中会遇到各种挑战，但通过掌握相关知识和解决策略，我们可以有效地应对这些问题，开发出稳定、高效的应用程序。希望以上内容对大家在STM32开发中有所帮助。
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