การใช้งานบอร์ด Black Pill ร่วมกับ Mbed OS และ Mbed Studio#
Keywords: Mbed OS, STM32 Programming, STM32F4
▷ บอร์ด Black Pill และ Mbed Custom Target#
บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ STM32F411CEU6 "Black Pill" ของ WeACT Studio ไม่จัดอยู่ในประเภทแพลตฟอร์มที่ใช้กับ Mbed ได้โดยตรง (→ ดูรายการ Mbed-enabled Platforms) แต่เราก็สามารถทำให้บอร์ดนี้สามารถใช้งานกับ Mbed OS ได้ โดยวิธีการสร้างสิ่งที่เรียกว่า "Mbed Custom Target" หรือ ดูตัวอย่าง Custom Targets สำหรับ Mbed ได้จาก → https://github.com/ARMmbed/stm32customtargets
ยกตัวอย่างบอร์ดที่ใช้ชิป STM32F4 Series เช่น ST NUCLEO-F401RE และ ST NUCLEO-F411RE ชิปทั้งสองรุ่นมีคุณสมบัติใกล้เคียงกัน ไฟล์ที่เกี่ยวข้องและใช้งานได้กับ Mbed OS Targets จะอยู่ในไดเรกทอรีของ Mbed OS ดังนี้
mbed-os/targets$ tree -L 1 -d
.
├── TARGET_ARM_FM
├── TARGET_ARM_SSG
├── TARGET_Ambiq_Micro
├── TARGET_Analog_Devices
├── TARGET_Cypress
├── TARGET_Freescale
├── TARGET_GigaDevice
├── TARGET_Maxim
├── TARGET_NORDIC
├── TARGET_NUVOTON
├── TARGET_NXP
├── TARGET_RENESAS
├── TARGET_STM
├── TARGET_Samsung
├── TARGET_Silicon_Labs
└── TARGET_TOSHIBA
และแสดงเฉพาะในส่วนที่เกี่ยวข้องกับ STM32F41xE
targets/
+--- TARGET_STM/
+--- TARGET_STM32F4/
+--- TARGET_STM32F401xE/
+-- TARGET_NUCLEO_F401RE
+--- TARGET_STM32F411xE/
+--- TARGET_NUCLEO_F411RE/
ลองมาดูตัวอย่างไฟล์ที่เกี่ยวข้องกับ Custom Targets เช่น
PinNames.h: การกำหนดชื่อขา I/Os และการใช้งาน เช่นPA_0/PB_6/PC_2/LED1/BUTTON1เป็นต้นPeripheralNames.h|PeripheralPins.c: การกำหนดจำนวนของวงจรภายใน (On-chip Peripherals) ในแต่ละประเภท เช่น UART / I2C / SPI / TIM / PWM / DAC และการอ้างอิงหมายเลขตามจำนวนที่มีsystem_clock.c: มีฟังก์ชันสำหรับเลือกใช้ Clock Source จำแนกได้หลายแบบ เช่น Low-speed / High-speed External (LSE / HSE), Low-speed / High-speed Internal (LSI / HSI) เป็นต้น การเปิดใช้งานวงจร PLL ภายในชิป และการตั้งค่าความถี่ให้ถูกต้องflash_data.h: มีการกำหนดขนาดของ Program Flash Memory พร้อมทั้งแอดเดรสเริ่มต้น และขนาดของ Flash Sectors ที่เกี่ยวข้อง
Zoltan Hudak
ซึ่งเป็นหนึ่งในกลุ่มผู้ใช้ Mbed OS ได้แชร์ไฟล์สำหรับ
"Custom Target for Blackpill"
(ชื่อของ Target: BLACKPILL_F411CE) ให้ผู้ที่สนใจสามารถดาวน์โหลดไปใช้งานได้
เมื่อเปิดใช้งาน Mbed Studio IDE และสร้างโปรเจกต์ใหม่แล้ว
ให้ดาวน์โหลดเป็นไฟล์ .zip สำหรับ Custom Target for Blackpill
มายังเครื่องของผู้ใช้ แล้วนำไปแตกไฟล์ (Unzip) จะได้ไดเรกทอรีชื่อ
จากนั้นให้ไปใส่ลงในไดเรกทอรีของโปรแกรม (Root directory of the project)
ภายใต้ Mbed Studio และให้ระบุชื่อสำหรับการเลือก Target เช่น BLACKPILL
เมื่อต้องการทำขั้นตอน Build
อีกตัวเลือกหนึ่งคือ ไฟล์สำหรับ Custom Targets ที่ได้มีการแชร์ไว้ใน Github โดยผู้ใช้ชื่อ "vznncv" สำหรับบอร์ด "WeAct Studio - Black Pill STM32F4x1" และบอร์ดอื่น เช่น
หากเปรียบเทียบบอร์ด Black Pill (STM32F411CEU6, 512KB Flash, 128KB SRAM) กับบอร์ด ST NUCLEO F411RE (STM32F411RET6, 512KB Flash, 128KB SRAM) จะพบว่า ทั้งสองกรณีใช้ชิปไมโครคอนโทรลเลอร์ใน STM32F4 Series เหมือนกัน มีขนาดหน่วยความจำเท่ากัน แต่มีความแตกต่างและต้องปรับเปลี่ยนในการใช้งาน เช่น
- บอร์ด NUCLEO ใช้สัญญาณความถี่ 8MHz Crystal จาก On-board ST-Link/v2 แต่บอร์ด Black Pill ใช้สัญญาณความถี่จาก 25MHz Osc. (HSE)
- บอร์ด NUCLEO-F411RE (LQFP64 package) มีจำนวนขามากกว่า Black Pill (UFQFPN48 package)
อัปเดต: ถ้าลองดูในไดเรกทอรี targets/TARGET_STM/TARGET_STM32F4/TARGET_STM32F411xE
ของ Mbed OS Community Edition (CE)
พบว่า มีรายการชื่อ TARGET_BLACKPILL_F411CE
ซึ่งรองรับการใช้งานบอร์ด BlackPill STM32F411CE
▷ การเขียนโปรแกรมด้วย Mbed Studio สำหรับบอร์ด Black Pill#
ขั้นตอนการดำเนินการมีดังนี้
- เปิดใช้งาน Mbed Studio (ได้ทดลองใช้งาน Mbed Studio v1.4.4 ในบทความนี้)
- สร้างไดเรกทอรีใหม่ และใช้ไดเรกทอรีดังกล่าวสำหรับ Workspace สำหรับการสร้างโปรเจกต์ใหม่
- เปิด Workspace ใหม่ (File > Open Workspace..) โดยเลือกไดเรกทอรีที่ได้สร้างขึ้นมาใหม่
- สร้างโปรแกรม (โปรเจกต์) ใหม่ (New Program) ภายใน Workspace ดังกล่าว
- เลือก "empty Mbed OS program"
- ตั้งชื่อโปรแกรมใหม่
- ระบุที่อยู่หรือไดเรกทอรีสำหรับไลบรารี Mbed OS ภายในคอมพิวเตอร์ของผู้ใช้ที่ได้ดาวน์โหลดมาเก็บไว้แล้ว
- นำไฟล์และไดเรกทอรีย่อยสำหรับ BlackPill Custom Target
มาใส่ในไดเรกทอรีของโปรแกรม (โปรเจกต์) ได้แก่
- ไฟล์
custom_targets.json - ไดเรกทอรี
TARGET_BLACKPILL_F411CE/*
- ไฟล์
- เปิดไฟล์
main.cppที่ได้มีการสร้างขึ้นไว้แล้วในไดเรกทอรีของโปรเจกต์ และแก้ไขตามโค้ดตัวอย่าง - สร้างและเพิ่มไฟล์
mbed_app.jsonในไดเรกทอรีของโปรเจกต์ (ดูตัวอย่างข้างล่าง) - แก้ไขไฟล์
custom_targets.jsonในไดเรกทอรีของโปรเจกต์ (ดูตัวอย่างข้างล่าง) - ทำขั้นตอน Build เพื่อสร้างไฟล์ไบนารี .bin ซึ่งเป็นเอาต์พุตที่ได้สำหรับโปรแกรม
- เชื่อมต่อบอร์ด Black Pill กับคอมพิวเตอร์ของผู้ใช้ ผ่านทาง ST-Link/V2 USB Dongle
- ตั้งค่าสำหรับ Target > Manage Custom Targets เลือกอุปกรณ์ USB ที่มองเห็นสำหรับ ST-Link/V2
- เลือก
BLACKPILL_F411CEเป็นชื่อสำหรับ Target Name และ Build Target - ในส่วนของ Deploy and debug target จะต้องเปลี่ยนจากเดิม "None (Use mass storage copy for deploy)" ให้เป็น "STM32F411E (Keil.STM32F4xx_DFP.x.x.x)" ตามรูปตัวอย่าง
- ในส่วนของ Debug flags จะมีการใส่ข้อความให้โดยอัตโนมัติ (และในบางกรณี อาจจำเป็นต้องกำหนดค่าความถี่ของ SWD ให้น้อยลง ไม่เกิน 1 MHz) แล้วกดปุ่ม Save All
- กดปุ่ม Run Program เพื่ออัปโหลดไฟล์ .bin ของโปรแกรมไปยังบอร์ดทดลอง แล้วสังเกตการเปลี่ยนแปลงสถานะของ LED
- กดปุ่ม Debug หากต้องการดีบักการทำงานของโปรแกรมโดยใช้บอร์ดทดลองที่เชื่อมต่ออยู่ในขณะนั้น
ข้อสังเกต: ผู้ใช้สามารถนำออกโปรเจกต์ (Export Project) จาก Mbed Studio ให้อยู่ในรูปของไฟล์สำหรับซอฟต์แวร์ Keil μVision หรือ เป็นไฟล์ .tgz ได้ โดยทำคำสั่งจากเมนู File > Export to
รูป: โปรแกรม Mbed Studio และเวอร์ชันที่ได้ลองใช้งาน
รูป: เมื่อเปิด Workspace ใหม่ใน Mbed Studio
รูป: ทำขั้นตอนสร้างโปรแกรมใหม่ (New Program)
และเลือกใช้ Shared Library สำหรับ mbed-os ที่ได้ดาวน์โหลดมาแล้ว
รูป: เพิ่มไฟล์ custom_targets.json และไดเรกทอรีของTARGET_BLACKPILL_F411CE ในโปรแกรม
ตัวอย่างไฟล์: custom_targets.json
{
"BLACKPILL_F411CE": {
"inherits": [
"MCU_STM32F4"
],
"macros_add": [
"STM32F411xE",
"HSE_VALUE=25000000U"
],
"config": {
"clock_source_usb": {
"help": "48 MHz clock is configured for USB, SYSCLK reduced from 100 to 96 MHz",
"value": "0",
"macro_name": "CLOCK_SOURCE_USB"
}
},
"overrides": {
"lse_available": 1
},
"device_has_add": [
"USBDEVICE"
],
"bootloader_supported": true,
"detect_code": [
"0740"
],
"device_name": "MCU_STM32F411CE"
}
}
ข้อสังเกต: บอร์ด BlackPill รับสัญญาณ Clock จากวงจรสร้างสัญญาณความถี่ 25MHz จากภายนอก
ดังนั้นจึงมีการกำหนดค่า HSE_VALUE (High-Speed External Clock Source) ให้เท่ากับความถี่ดังกล่าว
และมีการเปิดใช้งานวงจรภายในที่เรียกว่า PLL เพื่อสร้างสัญญาณ Clock ที่มีความถี่สูงใหักับซีพียู
ถ้าไม่ใช้ USB จะได้ความถี่สำหรับการทำงานของซีพียูเท่ากับ 100MHz แต่ถ้าใช้เปิดใช้งาน USB จะได้ความถี่ 96MHz และความถี่สำหรับการทำงานของวงจร USB เท่ากับ 48MHz
ตัวอย่างไฟล์: mbed_app.json (ใช้ Mbed OS - Full Profile)
{
"target_overrides": {
"*": {
"target.c_lib": "std",
"target.printf_lib": "minimal-printf",
"platform.minimal-printf-enable-floating-point": true,
"platform.minimal-printf-set-floating-point-max-decimals": 6,
"platform.minimal-printf-enable-64-bit": false
},
"BLACKPILL_F411CE": {
"target.device_has_add": ["USBDEVICE"],
"target.clock_source": "USE_PLL_HSE_XTAL",
"target.clock_source_usb": "1"
}
}
}
ถ้าต้องการลดระยะเวลาในการคอมไพล์โค้ด ให้สร้างไฟล์ชื่อ .mbedignore
ในโปรเจกต์ ลองใช้ตัวอย่างรายการซึ่งเป็นชื่อไดเรกทอรีต่อไปนี้ของ mbed-os
ที่ไม่ต้องการให้มีการคอมไพล์โค้ด (ถ้าไม่ได้ใช้)
connectivity/nfc/*
connectivity/lorawan/*
connectivity/FEATURE_BLE/*
connectivity/cellular/*
connectivity/lwipstack/*
connectivity/mbedtls/*
connectivity/nanostack/*
connectivity/netsocket/*
connectivity/libraries/*
connectivity/drivers/*
features/frameworks/*
drivers/device_key/*
storage/kvstore/*
platform/randlib/*
โค้ดตัวอย่างสำหรับสาธิตการทำงานของบอร์ดต่อไปนี้ จะทำให้ LED บนบอร์ดกระพริบได้ (เปลี่ยนสถานะทุก 200 มิลลิวินาที) แต่ถ้ามีการกดปุ่ม KEY ค้างไว้ จะไม่มีการเปลี่ยนสถานะ
ตัวอย่างไฟล์: main.cpp
#include "mbed.h"
// use onboard LED (PC_13 pin)
DigitalOut led(LED1);
// use onboard button / KEY (PA_0 pin)
DigitalIn btn(USER_BUTTON, PullUp); // Internal PullUp must be enabled.
int main() {
while (true) {
if ( btn.read() != 0 ) { // is button not pressed ?
led = !led; // toggle LED
}
ThisThread::sleep_for( 200ms );
}
}
รูป: สร้างและเพิ่มไฟล์ mbed_app.json ตามตัวอย่าง
รูป: แก้ไขไฟล์ main.cpp ตามตัวอย่าง
รูป: ทำขั้นตอน Build
รูป: ตั้งค่าสำหรับ Custom Target เมื่อได้เชื่อมต่อบอร์ด Black Pill ผ่านทาง ST-Link/V2 USB Dongle สำหรับการอัปโหลดไฟล์เฟิร์มแวร์ไปยังบอร์ด หรือการดีบักโค้ดโดยใช้ฮาร์ดแวร์
รูป: ตัวอย่างการทำขั้นตอน Debug และมีการกำหนดตำแหน่ง Breakpoints ในโค้ด
รูป: ตัวอย่างการทำขั้นตอน Debug เมื่อทำคำสั่งไปหยุดชั่วคราวที่ตำแหน่ง Breakpoint ถัดไป
▷ ตัวอย่างการใช้ USBSerial Driver#
ชิป STM32F411CEU6 รองรับการใช้งาน Native USB และบอร์ด Black Pill มีคอนเนกเตอร์แบบ USB Type-C ดังนั้นเมื่อเสียบสาย USB กับคอมพิวเตอร์ ก็สามารถเขียนโปรแกรม ให้บอร์ดนี้ส่งข้อความผ่านทาง USB CDC / USBSerial ได้อย่างง่าย ซึ่งมีตัวอย่างดังนี้
#include "mbed.h"
#include "USBSerial.h"
DigitalOut led(LED1); // onboard LED
USBSerial usbSerial;
int main() {
for( int i=0; i < 10; i++ ) { // fast LED toggle
led = !led;
ThisThread::sleep_for( 50ms );
}
usbSerial.printf( "MCU Flash Size: %u Kbytes\r\n", MBED_ROM_SIZE/1024 );
usbSerial.printf( "HSE_VALUE: %u\r\n", HSE_VALUE );
usbSerial.printf( "CLOCK_SOURCE_USB: %d\r\n", CLOCK_SOURCE_USB );
usbSerial.printf( "CPU Clock: %lu MHz\r\n", SystemCoreClock/1000000UL );
usbSerial.printf( "Mbed OS STM32F411CEU6 BlackPill Demo..\r\n" );
while (true) {
led = !led; // toggle LED
usbSerial.printf( "Blink: %d\r\n", led.read() );
ThisThread::sleep_for( 500ms );
}
}
หากนำโค้ดตัวอย่างนี้ไปทดลอง เมื่ออัปโหลดไฟล์ .bin ไปยังบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์แล้ว จะมองเห็น Serial COM port (หากทดลองกับระบบปฏิบัติการ Windows) และถ้าใช้โปรแกรม เช่น Tera Term เปิดพอร์ตดังกล่าว ก็จะเห็นมีข้อความถูกส่งออกมา
รูป: ตัวอย่างข้อความเอาต์พุต
รูป: บอร์ด Black Pill และการเชื่อมต่อกับพอร์ต USB ของคอมพิวเตอร์
ถ้าต้องการลองสร้างเธรด (Thread) ก็มีตัวอย่างโค้ดดังนี้
#include "mbed.h"
#include "rtos.h"
#include "USBSerial.h"
using namespace std::chrono; // for milliseconds()
// use onboard LED (PC_13 pin)
DigitalOut led(LED1);
USBSerial usbSerial;
Thread thread( osPriorityNormal ); // create a Thread
// user-defined struct for a thread argument
typedef struct thread_args {
DigitalOut *led;
uint32_t delay_ms;
} thread_args_t;
thread_args_t thread_args = {
.led = &led,
.delay_ms = 500
};
void led_update( thread_args_t *args ) {
uint32_t delay_ms = args->delay_ms;
DigitalOut led = *args->led;
while (1) {
// toggle LED
led = !led;
// show LED status
usbSerial.printf( "Thread> LED: %d\r\n", led.read() );
ThisThread::sleep_for( milliseconds(delay_ms) );
}
}
int main() {
char sbuf[128];
// Show Mbed OS Version
sprintf( sbuf, "Mbed Version: %d.%d.%d",
MBED_MAJOR_VERSION,
MBED_MINOR_VERSION,
MBED_PATCH_VERSION );
usbSerial.printf( "%s\r\n", sbuf );
usbSerial.printf( "MCU Flash Size: %u Kbytes\r\n", MBED_ROM_SIZE/1024 );
usbSerial.printf( "HSE_VALUE: %u\r\n", HSE_VALUE );
usbSerial.printf( "CLOCK_SOURCE_USB: %d\r\n", CLOCK_SOURCE_USB );
usbSerial.printf( "CPU Clock: %lu MHz\r\n", SystemCoreClock/1000000UL );
usbSerial.printf( "Mbed OS STM32F411CEU6 BlackPill Demo..\r\n" );
// start thread
thread.start( callback(led_update,&thread_args) );
while(1) { // The main thread waits forever.
osDelay( osWaitForever );
}
}
รูป: ตัวอย่างข้อความเอาต์พุต
ข้อสังเกต: การสร้างเธรด จะต้องใช้ Mbed OS - Full Profile แทนที่การใช้ Mbed OS Bare-metal Profile
▷ กล่าวสรุป#
เนื้อหาในเอกสารนี้ได้กล่าวถึง การทดลองใช้งานบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ Black Pill ซึ่งมีราคาไม่แพง และใช้ชิป STM32F411CEU6 เป็นตัวประมวลผล และการนำมาใช้งานร่วมกับอุปกรณ์ ST-Link/V2 USB Dongle (clone) และใช้ซอฟต์แวร์ Mbed Studio IDE สำหรับฝึกเขียนโปรแกรม โดยได้ลองใช้ Mbed OS (v6.15.1)
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.
Created: 2021-12-05 | Last Updated: 2023-04-29