STM32 Linux开发应用手册：从入门到实战

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简介：STM32 Linux开发应用手册是一份全面的指南，旨在帮助开发者在STM32微控制器上构建Linux系统。本手册涵盖了STM32特性、Linux移植、交叉编译、设备驱动、文件系统、网络连接、电源管理、调试和测试以及应用程序开发等关键知识点。通过深入的讲解和实战项目，开发者可以掌握STM32 Linux开发的技能，构建高效的嵌入式解决方案。

1. STM32微控制器特性

STM32微控制器是STMicroelectronics生产的一系列32位微控制器，以其高性能、低功耗和广泛的外设而闻名。它们基于ARM Cortex-M内核，提供从入门级到高性能应用的各种选择。STM32微控制器广泛用于嵌入式系统，如工业自动化、医疗设备、汽车电子和消费电子产品。

2. Linux移植

2.1 Linux内核配置

Linux内核配置是将Linux内核定制到特定硬件平台的过程。它涉及选择正确的设备驱动程序、配置系统设置和优化内核性能。

步骤：

1. 获取内核源代码： 从官方Linux内核网站下载与目标硬件平台兼容的内核源代码。
2. 配置内核： 使用 make menuconfig 或 make xconfig 命令打开内核配置菜单。
3. 选择设备驱动程序： 导航到“设备驱动程序”菜单并选择与目标硬件平台兼容的驱动程序。
4. 配置系统设置： 配置系统设置，例如内存管理、网络设置和文件系统选项。
5. 优化内核性能： 根据需要配置内核性能选项，例如处理器调度程序、电源管理和内存管理。
6. 保存配置： 保存配置并退出内核配置菜单。

参数说明：

• CONFIG_ARCH_STMM32MP1 : 启用STM32MP1架构支持
• CONFIG_ARM64 : 启用ARM64架构支持
• CONFIG_SMP : 启用对称多处理支持
• CONFIG_MMU : 启用内存管理单元支持

2.2 引导加载程序和设备树

引导加载程序是一个小型的软件程序，负责在系统启动时加载Linux内核。设备树是一个描述系统硬件配置的文本文件。

步骤：

1. 创建引导加载程序： 使用U-Boot或其他引导加载程序创建与目标硬件平台兼容的引导加载程序。
2. 创建设备树： 使用Device Tree Compiler (dtc)工具创建描述系统硬件配置的设备树。
3. 配置引导加载程序： 配置引导加载程序以加载Linux内核和设备树。

代码块：

// U-Boot引导加载程序配置
u-boot-config {
    # 加载Linux内核
    kernel = "zImage"
    # 加载设备树
    fdt = "stm32mp1-evk.dtb"
}

逻辑分析：

此代码配置U-Boot引导加载程序以加载Linux内核( zImage )和设备树( stm32mp1-evk.dtb )。

2.3 内核编译和启动

内核编译和启动涉及编译Linux内核并将其加载到系统中。

步骤：

1. 编译内核： 使用 make 命令编译Linux内核。
2. 创建内核镜像： 使用 mkimage 工具创建可引导的内核镜像。
3. 加载内核： 使用引导加载程序加载内核镜像到系统中。

代码块：

# 编译内核
make

# 创建内核镜像
mkimage -A arm64 -O linux -T kernel -C none -a 0x80000000 -e 0x80000000 -n "Linux Kernel" -d arch/arm64/boot/Image zImage

逻辑分析：

此代码使用 mkimage 工具创建可引导的内核镜像( zImage )，该镜像从地址0x80000000开始执行。

3. 交叉编译

3.1 交叉编译工具链

交叉编译工具链是一个专门用于为特定目标平台编译代码的工具集。对于 STM32 微控制器，常用的交叉编译工具链是 GNU Arm Embedded Toolchain (GCC-ARM)。

安装 GCC-ARM

GCC-ARM 可以从 Arm 网站下载。安装过程因操作系统而异，但通常涉及以下步骤：

1. 下载并解压缩 GCC-ARM 安装包。
2. 将 GCC-ARM 目录添加到系统路径中。
3. 设置 ARM_HOME 环境变量，指向 GCC-ARM 目录。

配置 GCC-ARM

配置 GCC-ARM 以针对特定 STM32 微控制器编译代码需要以下步骤：

1. 创建一个交叉编译器前缀。例如，对于 STM32F407 微控制器，前缀可以是 arm-none-eabi- 。
2. 设置 --target 选项，指定目标微控制器。例如，对于 STM32F407，可以使用 --target=armv7e-m 。
3. 设置 --specs 选项，指定交叉编译器规范。例如，对于 STM32F407，可以使用 --specs=nosys.specs 。

3.2 编译和链接选项

编译选项

常用的编译选项包括：

• -O0 ：禁用优化。
• -O1 ：启用基本优化。
• -O2 ：启用高级优化。
• -g ：生成调试信息。
• -Wall ：启用所有警告。

链接选项

常用的链接选项包括：

• -nostdlib ：不链接标准库。
• -Wl,-Tlinker_script.ld ：指定链接器脚本。
• -Wl,--gc-sections ：丢弃未使用的代码和数据部分。

3.3 调试和优化

调试

可以使用 GDB（GNU 调试器）对嵌入式代码进行调试。GDB 可以连接到目标微控制器并允许用户检查寄存器、设置断点和执行代码。

优化

以下是一些优化嵌入式代码的技巧：

• 启用优化编译器选项。
• 避免使用浮点运算。
• 使用内联汇编代码。
• 优化数据结构和算法。

4. 设备驱动

4.1 设备驱动框架

4.1.1 设备驱动模型

Linux设备驱动模型是一个分层的框架，它允许应用程序与硬件设备交互。该模型由以下组件组成：

• 字符设备： 提供顺序访问设备数据的接口，如串口和控制台。
• 块设备： 提供对块状设备（如硬盘和闪存）的访问，支持随机读写。
• 网络设备： 处理网络通信，如以太网和Wi-Fi。
• 总线驱动程序： 管理设备与系统总线之间的通信，如PCI和USB。
• 内核对象： 表示设备状态和操作的结构体，如 struct device 和 struct file_operations 。

4.1.2 设备注册

设备驱动程序必须注册到内核，以便内核能够识别和使用它们。注册过程涉及以下步骤：

1. 创建设备结构体（ struct device ），并填充设备信息。
2. 调用 device_register() 函数将设备添加到内核设备列表中。
3. 创建文件操作结构体（ struct file_operations ），并定义设备文件操作函数。
4. 调用 cdev_init() 和 cdev_add() 函数创建字符设备并将其添加到内核字符设备列表中。

4.2 外设驱动开发

4.2.1 GPIO驱动

GPIO（通用输入/输出）驱动程序控制微控制器的数字输入/输出引脚。它提供以下功能：

• 引脚配置： 设置引脚为输入、输出或中断模式。
• 引脚读写： 读取或写入引脚的逻辑电平。
• 中断处理： 当引脚状态发生变化时触发中断。

4.2.2 SPI驱动

SPI（串行外围接口）驱动程序用于与SPI设备进行通信。它提供以下功能：

• SPI总线初始化： 配置SPI总线时钟、模式和数据格式。
• 数据传输： 发送和接收SPI数据。
• 中断处理： 当SPI传输完成或发生错误时触发中断。

4.3 中断和DMA管理

4.3.1 中断处理

中断是硬件事件触发的事件，它会暂停当前执行的代码并跳转到中断处理程序。Linux内核使用以下机制处理中断：

• 中断控制器： 管理中断请求和优先级。
• 中断处理程序： 响应特定中断并执行适当的操作。
• 中断屏蔽： 允许或禁止特定中断。

4.3.2 DMA管理

DMA（直接内存访问）是一种数据传输机制，它允许外设直接与内存交互，无需CPU参与。Linux内核使用以下机制管理DMA：

• DMA控制器： 管理DMA传输请求和优先级。
• DMA通道： 用于执行DMA传输的专用硬件。
• DMA缓冲区： 存储要传输的数据的内存区域。

5. 文件系统

5.1 文件系统概述

文件系统是一种组织和管理数据存储和检索的方法。它提供了一种结构化的方式来存储和访问文件，使操作系统和其他应用程序能够有效地管理数据。

在嵌入式系统中，文件系统通常用于存储配置数据、日志文件和用户数据。它允许应用程序读取和写入数据，并以文件和目录的形式组织数据。

嵌入式系统中常用的文件系统包括：

• FAT (文件分配表) ：一种简单的文件系统，广泛用于存储设备，如 SD 卡和 USB 驱动器。
• ext2/ext3/ext4 (扩展文件系统) ：Linux 中常用的文件系统，提供更好的性能和可靠性。
• μC/FS (微控制器文件系统) ：一种专为嵌入式系统设计的轻量级文件系统，具有低内存占用和快速访问时间。

5.2 文件系统格式化和挂载

在使用文件系统之前，需要对其进行格式化。格式化过程将创建文件系统结构，包括文件分配表、目录和数据块。

格式化文件系统可以使用以下命令：

mkfs.vfat /dev/sdcard
mkfs.ext4 /dev/mmcblk0p1

格式化完成后，文件系统需要挂载到一个目录，以便应用程序可以访问它。挂载过程将文件系统与目录关联起来，使应用程序能够读取和写入文件。

挂载文件系统可以使用以下命令：

mount /dev/sdcard /mnt/sdcard
mount /dev/mmcblk0p1 /mnt/ext4

5.3 文件和目录操作

文件和目录操作是文件系统中最重要的操作。这些操作允许应用程序创建、删除、读取和写入文件和目录。

创建文件和目录

可以使用以下命令创建文件和目录：

touch /mnt/sdcard/test.txt
mkdir /mnt/sdcard/test_dir

删除文件和目录

可以使用以下命令删除文件和目录：

rm /mnt/sdcard/test.txt
rmdir /mnt/sdcard/test_dir

读取文件

可以使用以下命令读取文件：

cat /mnt/sdcard/test.txt

写入文件

可以使用以下命令写入文件：

echo "Hello World" > /mnt/sdcard/test.txt

目录操作

除了文件操作外，文件系统还提供目录操作。目录操作允许应用程序创建、删除和列出目录。

mkdir /mnt/sdcard/test_dir
rmdir /mnt/sdcard/test_dir
ls /mnt/sdcard

5.4 文件系统管理

文件系统管理涉及监控和维护文件系统。这包括检查文件系统错误、清理未使用的空间和调整文件系统大小。

检查文件系统错误

可以使用以下命令检查文件系统错误：

fsck /dev/sdcard
fsck /dev/mmcblk0p1

清理未使用的空间

可以使用以下命令清理未使用的空间：

fstrim /dev/sdcard
fstrim /dev/mmcblk0p1

调整文件系统大小

可以使用以下命令调整文件系统大小：

resize2fs /dev/sdcard
resize2fs /dev/mmcblk0p1

6. 网络和无线连接

6.1 网络协议栈

STM32微控制器支持各种网络协议，包括TCP/IP、UDP、ICMP、DHCP和DNS。这些协议通过LwIP（轻量级IP）协议栈实现，该协议栈是专为嵌入式系统设计的。

6.2 以太网驱动开发

以太网是STM32微控制器上最常用的有线网络接口。开发以太网驱动程序涉及以下步骤：

• 配置以太网MAC外设
• 实现以太网协议处理程序
• 注册以太网设备到LwIP协议栈

6.3 无线连接（Wi-Fi、蓝牙）

STM32微控制器还支持Wi-Fi和蓝牙等无线连接。这些连接通常通过外部模块实现，例如：

• Wi-Fi模块（例如：ESP8266）
• 蓝牙模块（例如：HC-05）

开发无线连接驱动程序需要：

• 初始化无线模块
• 实现无线协议处理程序
• 将无线模块集成到LwIP协议栈

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