Bare-metal firmware STM32F103 bez CubeMX

Minimální bare-metal firmware pro STM32F103: od linker scriptu po blikání LED

Po resetu Cortex-M3 načte ukazatel zásobníku z 0x08000000, přejde k Reset_Handler z vektorové tabulky a spustí startup kód. V bare-metal projektu bez HAL je tento proces průhledný: manuální nastavení paměti, registrů GPIO a TIM2. Projekt demonstruje práci se STM32F103C8T6 — blikání LED na PC13 s prodlevou 1 sekunda přes hardwarový časovač.

Struktura projektu je rozdělena do vrstev: inc/ pro rozhraní, src/ pro implementace, startup/ pro inicializaci, myLinker.ld pro mapu paměti.

Linker script: umístění sekcí v FLASH a RAM

Linker script definuje oblasti paměti STM32F103C8T6 a rozděluje sekce:

• FLASH (0x08000000, 64 KB): .isr_vector, .text, .rodata
• RAM (0x20000000, 20 KB): .data, .bss, zásobník

Klíčové symboly pro startup:

_estack = ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM);

MEMORY {
    FLASH (rx) : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 0x00010000
    RAM   (rwx): ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 0x00005000
}

SECTIONS {
    .isr_vector : { KEEP(*(.isr_vector)) } > FLASH
    .text : { *(.text*) } > FLASH
    .rodata : { *(.rodata*) } > FLASH
    .data : {
        _sdata = .;
        *(.data*)
        _edata = .;
    } > RAM AT > FLASH
    _sidata = LOADADDR(.data);
    .bss : {
        _sbss = .;
        *(.bss*)
        _ebss = .;
    } > RAM
}

.data se kopíruje z FLASH do RAM podle adres _sidata → _sdata.._edata. .bss se vynuluje od _sbss do _ebss. _estack nastavuje počáteční SP.

Startup kód: Reset_Handler a vektorová tabulka

Startup běží před main(): kopíruje .data, vynuluje .bss, zavolá main(). Vektorová tabulka v .isr_vector:

#include <stdint.h>

extern uint32_t _estack;
extern uint32_t _sidata, _sdata, _edata, _sbss, _ebss;

int main(void);

void Reset_Handler(void);
void Default_Handler(void) {
    while (1);
}

void NMI_Handler(void)       __attribute__((weak, alias("Default_Handler")));
void HardFault_Handler(void) __attribute__((weak, alias("Default_Handler")));

__attribute__((used, section(".isr_vector")))
const void* vector_table[] = {
    &_estack,
    Reset_Handler,
    NMI_Handler,
    HardFault_Handler
};

void Reset_Handler(void) {
    uint32_t* src = &_sidata;
    uint32_t* dst = &_sdata;
    while (dst < &_edata) {
        *dst++ = *src++;
    }
    dst = &_sbss;
    while (dst < &_ebss) {
        *dst++ = 0;
    }
    main();
    while (1) {}
}

weak alias směruje nerealizované ISR do Default_Handler.

Práce s registry: volatile a přímý přístup

Bare-metal — zápis do registrů podle adres:

*(volatile uint32_t*)0x40021018 |= (1 << 4);  // RCC_APB2ENR, GPIOC

volatile zabraňuje optimalizacím: kompilátor generuje každé volání. Pro TIM2 se používá struktura:

typedef struct {
    volatile uint32_t CR1, CR2, SMCR, DIER, SR, EGR;
    volatile uint32_t CCMR1, CCMR2, CCER, CNT;
    volatile uint32_t PSC, ARR, RCR;
    volatile uint32_t CCR1, CCR2, CCR3, CCR4;
    volatile uint32_t BDTR, DCR, DMAR;
} TIM_TypeDef;

#define TIM2 ((TIM_TypeDef*)0x40000000)

Přístup: TIM2->PSC = 7999;.

Inicializace periferií: GPIO a TIM2

GPIO

Zapneme clock GPIOC: RCC->APB2ENR |= (1 << 4);. Nastavíme PC13 jako výstup:

• GPIOC->CRH &= ~(0xF << 20);
• GPIOC->CRH |= (0x2 << 20); (2.0 MODE, 00 CNF)

LED: GPIOC->ODR |= (1 << 13); zapnout, &= ~(1 << 13); vypnout.

TIM2

Nastavení na 1 Hz (72 MHz / 8000 / 9000 = 1 Hz):

• RCC->APB1ENR |= (1 << 0); — clock TIM2
• TIM2->PSC = 7999; (předdělička)
• TIM2->ARR = 8999; (autopřenačítání)
• TIM2->CR1 |= (1 << 0); — spuštění

delayOneSecond(): čekáme TIM2->CNT >= 9000, reset CNT.

Sekvence main()

• GPIO_init()
• TIMERS_init()
• Nekonečná smyčka: turnOnLED() → delayOneSecond() → turnOffLED() → delayOneSecond()

Co je důležité

• Linker symboly (_sdata, _edata aj.) jsou povinné pro správnou inicializaci paměti.
• volatile je klíčové pro registry: bez něj kompilátor cachuje hodnoty.
• Vektorová tabulka v .isr_vector musí být první v FLASH.
• Struktura registrů usnadňuje přístup místo holých pointerů.
• Bare-metal ukazuje reálný průběh: startup → main → periferie.

— Editorial Team