Bare-metal firmware STM32F103 bez CubeMX

Minimalna proga bare-metal dla STM32F103: od skryptu linkera po miganie LED

Po resecie Cortex-M3 wczytuje wskaźnik stosu z 0x08000000, przechodzi do Reset_Handler z tablicy wektorów przerwań i wykonuje kod startowy. W projekcie bare-metal bez HAL ten proces jest przejrzysty: ręczna konfiguracja pamięci, rejestrów GPIO i TIM2. Projekt pokazuje pracę ze STM32F103C8T6 — miganie LED na PC13 z opóźnieniem 1 sekundy za pomocą sprzętowego timera.

Struktura projektu podzielona na warstwy: inc/ dla interfejsów, src/ dla implementacji, startup/ dla inicjalizacji, myLinker.ld dla mapy pamięci.

Skrypt linkera: rozmieszczenie sekcji w FLASH i RAM

Skrypt linkera definiuje obszary pamięci STM32F103C8T6 i rozdziela sekcje:

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

Kluczowe symbole dla startu:

_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 jest kopiowana z FLASH do RAM po adresach _sidata → _sdata.._edata. .bss jest zerowana od _sbss do _ebss. _estack ustawia początkowy SP.

Kod startowy: Reset_Handler i tablica wektorów

Startup wykonuje się przed main(): kopiuje .data, czyści .bss, wywołuje main(). Tablica wektorów w .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 kieruje niezaimplementowane ISR do Default_Handler.

Praca z rejestrami: volatile i bezpośredni dostęp

Bare-metal — zapis do rejestrów po adresach:

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

volatile zapobiega optymalizacjom: kompilator generuje każde odwołanie. Dla TIM2 używana jest 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)

Dostęp: TIM2->PSC = 7999;.

Inicjalizacja peryferiów: GPIO i TIM2

GPIO

Włączamy zegar GPIOC: RCC->APB2ENR |= (1 << 4);. Konfigurujemy PC13 jako wyjście:

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

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

TIM2

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

• RCC->APB1ENR |= (1 << 0); — zegar TIM2
• TIM2->PSC = 7999; (przeddzielnik)
• TIM2->ARR = 8999; (autoprzeladowanie)
• TIM2->CR1 |= (1 << 0); — start

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

Sekwencja main()

• GPIO_init()
• TIMERS_init()
• Pętla nieskończona: turnOnLED() → delayOneSecond() → turnOffLED() → delayOneSecond()

Co ważne

• Symbole linkera (_sdata, _edata itp.) niezbędne do poprawnej inicjalizacji pamięci.
• volatile kluczowe dla rejestrów: bez niego kompilator buforuje wartości.
• Tablica wektorów w .isr_vector musi być pierwsza w FLASH.
• Struktura rejestrów ułatwia dostęp zamiast surowych wskaźników.
• Bare-metal pokazuje rzeczywistą sekwencję: startup → main → peryferia.

— Editorial Team