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HALとMakefileの構成でC++を使う

はじめに

STM32の開発を行う際は，いくつかの選択肢があります(ありました)．

  • 生レジスタを叩く
  • mbedを使う
  • SPL(Standard Peripheral Library)を使う
  • HAL(Hardware Abstraction Layer) Driversを使う

僕はこれまで，SPLを使って開発を行っていましたが，SPLの開発が終了してしまいました．これ以降に発表されるマイコンではSPLが使えなくなります．
そこで，SPLからHALに乗り換えすることにしました．
この記事では，Linuxで，統合開発環境を使わず，C++(gcc)でHALを使った開発を行う手順を説明します．環境さえ整えばWindowsやMacでも開発できると思います．
おまけとして，複数のFTDIチップを利用する場合のTipsを書こうと思います．

今回僕が使っている環境は，次のとおりです．

  • マイコン：STM32F412CG
  • 書き込み方法：USART1(USBシリアル変換ICを利用)
  • 開発機OS：Arch Linux

準備

STM32CubeMX

まずは必要なファイルを入手します．

  1. STM32CubeMX
    STM32用のコードジェネレータです．今回は，ピン配置の確認・Makefileの生成・サンプルプログラムの生成に利用します．
  2. UM1725: Description of STM32F4 HAL and LL drivers
    HAL Driversのマニュアルです．割と見やすいので使い倒しましょう．

どちらも，次のURLから入手することが出来ます．

STM32CubeF4 - Embedded software for STM32F4 series - STMicroelectronics

開発環境

開発環境を整えます．

以上をインストールしておいてください．

Arch Linuxなら次のコマンドでインストールできます．

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pacman -S make emacs arm-none-eabi-gcc
yaourt -S stm32flash

stm32flashの改造

stm32flashのデバイス設定ファイルが2016年5月から更新されておらず，これ以降に発表されたマイコンに書き込むことが出来ません．
そこで，ソースコードを変更してコンパイルし直しました．

今回はSTM32F412を追加してみます．

dev_table.c
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@@ -42,6 +42,7 @@ static uint32_t p_1k[]  = { SZ_1K,  0 };
 static uint32_t p_2k[]  = { SZ_2K,  0 };
 /* F2 and F4 page size */
 static uint32_t f2f4[]  = { SZ_16K, SZ_16K, SZ_16K, SZ_16K, SZ_64K, SZ_128K, 0 };
+static uint32_t f2f4_2[]  = { SZ_16K, SZ_16K, SZ_16K, SZ_16K, SZ_64K, SZ_128K, SZ_128K, SZ_128K, SZ_128K, SZ_128K, SZ_128K, SZ_128K, 0 };
 /* F4 dual bank page size */
 static uint32_t f4db[]  = {
        SZ_16K, SZ_16K, SZ_16K, SZ_16K, SZ_64K, SZ_128K, SZ_128K, SZ_128K,
@@ -86,6 +87,7 @@ const stm32_dev_t devices[] = {
        {0x433, "STM32F401xD(E)"                  , 0x20003000, 0x20018000, 0x08000000, 0x08080000,  1, f2f4  , 0x1FFFC000, 0x1FFFC00F, 0x1FFF0000, 0x1FFF7800, 0},
        {0x458, "STM32F410xx"                     , 0x20003000, 0x20008000, 0x08000000, 0x08020000,  1, f2f4  , 0x1FFFC000, 0x1FFFC00F, 0x1FFF0000, 0x1FFF7800, 0},
        {0x431, "STM32F411xx"                     , 0x20003000, 0x20020000, 0x08000000, 0x08080000,  1, f2f4  , 0x1FFFC000, 0x1FFFC00F, 0x1FFF0000, 0x1FFF7800, 0},
+       {0x441, "STM32F412xx"                     , 0x20003000, 0x20040000, 0x08000000, 0x08100000,  1, f2f4_2, 0x1FFFC000, 0x1FFFC00F, 0x1FFF0000, 0x1FFF7800, 0},
        {0x421, "STM32F446xx"                     , 0x20003000, 0x20020000, 0x08000000, 0x08080000,  1, f2f4  , 0x1FFFC000, 0x1FFFC00F, 0x1FFF0000, 0x1FFF7800, 0},
        {0x434, "STM32F469xx"                     , 0x20003000, 0x20060000, 0x08000000, 0x08200000,  1, f4db  , 0x1FFEC000, 0x1FFFC00F, 0x1FFF0000, 0x1FFF7800, 0},
        /* F7 */

コード生成する

これで環境が整ったので，コード生成します．STM32CubeMXを起動して，順に作業します．

ピン配置を決める

Pinoutタブから，マイコンのピン配置を決めます．左側の機能一覧から割り当てたり，右のピン一覧から決めたりすることが出来ます．大体の操作は見たとおりにできると思います．
1個だけわかりにくかった設定は，エンコーダのAB相入力です．画像の赤枠部分から設定できるので，参考にしてください．

STM32CubeMXでピン配置を設定

クロックを設定する

STM32CubeMXがクロックの初期化コードを作ってくれます．Clock Configurationタブから，画像の赤枠部分を変更します．HSE(外部クロック)を使う場合は，その周波数も入力しておきましょう．

クロックの設定箇所

機能の設定

SPIやTIMなどを利用する場合，パラメータの設定をしておきます．Configurationタブから，なんかいい感じに設定しておきましょう．

SPI2の設定をする

出力ファイルの設定

最後に，プロジェクト全体の設定をします．今回の記事で重要な点は，画像の赤線部分です．この通り設定し，出力パスや名前を各自設定しておきましょう．

Makefileを利用したプロジェクトとする
細かい設定もしておく

出力する

では，Generate Codeを実行しましょう．僕の例では，次のようなファイルが出力されました．

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├── Drivers (このディレクトリにはHAL Driversが入っている．長いので省略)
├── Inc
│   ├── adc.h
│   ├── dma.h
│   ├── gpio.h
│   ├── main.h
│   ├── spi.h
│   ├── stm32f4xx_hal_conf.h
│   ├── stm32f4xx_it.h (itはinterruptの略？ 割り込み関数が宣言されている)
│   ├── tim.h
│   └── usart.h
├── Makefile (最高)
├── STM32F412CGUx_FLASH.ld
├── STM32F412CG_FLASH.ld
├── Src
│   ├── adc.c
│   ├── dma.c
│   ├── gpio.c
│   ├── main.c
│   ├── spi.c
│   ├── stm32f4xx_hal_msp.c
│   ├── stm32f4xx_it.c (割り込み関数の定義がしてある)
│   ├── system_stm32f4xx.c
│   ├── tim.c
│   └── usart.c
├── Tanitan_v3.0H.elf.launch
├── Tanitan_v3.0H.ioc
├── Tanitan_v3.0H.pdf (Generate Reportにより生成．非常に便利)
├── Tanitan_v3.0H.txt
├── startup
│   └── startup_stm32f412cx.s (スタートアップルーチン．クロック設定もここで実行される)
└── startup_stm32f412cx.s

Generate Reportを実行すると，今回設定した情報がpdfで吐き出されます．非常に便利なので出力することをオススメします．

C++でコンパイルを通す

さてさて，コードが生成されたところで，g++でコンパイルを通せるように改造していきましょう．

今回の記事では，コード生成し直さないことを前提に進めていきます．そのため，生成されたコードを開発用のディレクトリにコピーしてしまうことをオススメします．
生成コードの中で，次のファイルは使いません．

  • Inc 以下の，stm32f4xx_hal_conf.h と stm32f4xx_it.h 以外のファイル
  • Src 以下の，stm32f4xx_hal_msp.c と stm32f4xx_it.c と system_stm32f4xx.c 以外のファイル

正確には，あくまで初期設定のサンプルとして参考にするだけで，実装は自分で行うことになります．効率はあまり良くないですが，自動生成のコードがあまり好きではないため，このように進めていきます．

ツールチェインのパスを設定する

自動生成コードそのままでは，コンパイルが通りません．まずはツールチェインのディレクトリを設定します．

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# binaries
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BINPATH = /usr/bin
PREFIX = arm-none-eabi-
CC = $(BINPATH)/$(PREFIX)g++
AS = $(BINPATH)/$(PREFIX)g++ -x assembler-with-cpp
CP = $(BINPATH)/$(PREFIX)objcopy
AR = $(BINPATH)/$(PREFIX)ar
SZ = $(BINPATH)/$(PREFIX)size
HEX = $(CP) -O ihex
BIN = $(CP) -O binary -S

おそらくこの状態でコンパイル自体は通ると思います．

cppファイルをコンパイルできるようにする

今は，コンパイルする.cファイルをすべて列挙してあります．非常に気に食わないので，Srcディレクトリ以下に存在する.c，.cppファイルをすべてコンパイルするように変更します．

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# source
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# C sources
C_SOURCES =  \
Drivers/STM32F4xx_HAL_Driver/Src/stm32f4xx_hal_adc.c \
Drivers/STM32F4xx_HAL_Driver/Src/stm32f4xx_hal_rcc_ex.c \
Drivers/STM32F4xx_HAL_Driver/Src/stm32f4xx_hal_pwr.c \
Drivers/STM32F4xx_HAL_Driver/Src/stm32f4xx_hal_adc_ex.c \
Drivers/STM32F4xx_HAL_Driver/Src/stm32f4xx_hal_dma_ex.c \
Drivers/STM32F4xx_HAL_Driver/Src/stm32f4xx_hal_dma.c \
Drivers/STM32F4xx_HAL_Driver/Src/stm32f4xx_hal_flash_ex.c \
Drivers/STM32F4xx_HAL_Driver/Src/stm32f4xx_hal.c \
Drivers/STM32F4xx_HAL_Driver/Src/stm32f4xx_hal_spi.c \
Drivers/STM32F4xx_HAL_Driver/Src/stm32f4xx_hal_cortex.c \
Drivers/STM32F4xx_HAL_Driver/Src/stm32f4xx_hal_tim.c \
Drivers/STM32F4xx_HAL_Driver/Src/stm32f4xx_hal_flash.c \
Drivers/STM32F4xx_HAL_Driver/Src/stm32f4xx_hal_tim_ex.c \
Drivers/STM32F4xx_HAL_Driver/Src/stm32f4xx_hal_rcc.c \
Drivers/STM32F4xx_HAL_Driver/Src/stm32f4xx_hal_flash_ramfunc.c \
Drivers/STM32F4xx_HAL_Driver/Src/stm32f4xx_hal_gpio.c \
Drivers/STM32F4xx_HAL_Driver/Src/stm32f4xx_hal_uart.c \
Drivers/STM32F4xx_HAL_Driver/Src/stm32f4xx_hal_pwr_ex.c \
$(wildcard Src/*.c)

# CPP sources
CPP_SOURCES = \
$(wildcard Src/*.cpp)

# ASM sources
ASM_SOURCES =  \
startup_stm32f412cx.s
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# build the application
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# list of CPP program objects
OBJECTS = $(addprefix $(BUILD_DIR)/,$(notdir $(CPP_SOURCES:.cpp=.o)))
vpath %.cpp $(sort $(dir $(CPP_SOURCES)))
# list of ASM program objects
OBJECTS += $(addprefix $(BUILD_DIR)/,$(notdir $(ASM_SOURCES:.s=.o)))
vpath %.s $(sort $(dir $(ASM_SOURCES)))
# list of C program objects
OBJECTS += $(addprefix $(BUILD_DIR)/,$(notdir $(C_SOURCES:.c=.o)))
vpath %.c $(sort $(dir $(C_SOURCES)))

$(BUILD_DIR)/%.o: %.cpp Makefile | $(BUILD_DIR) 
	$(CC) -c $(CFLAGS) -Wa,-a,-ad,-alms=$(BUILD_DIR)/$(notdir $(<:.cpp=.lst)) $< -o $@

$(BUILD_DIR)/%.o: %.c Makefile | $(BUILD_DIR) 
	$(CC) -c $(CFLAGS) -Wa,-a,-ad,-alms=$(BUILD_DIR)/$(notdir $(<:.c=.lst)) $< -o $@

$(BUILD_DIR)/%.o: %.s Makefile | $(BUILD_DIR)
	$(AS) -c $(CFLAGS) $< -o $@

こんな風に改造することで，ビルドが通ると思います．

C++でコードを書き直す

あとは，好きに書き直すだけです．
自動生成されたコードは(ほとんど)正しいので，僕はそれを参考にしながら機能ごとにクラス化していきました．

リンカエラーに対処する

C++でコンパイルするとリンカエラーがしばしば発生しました．
このあたりはよくわかっていませんが，リンカオプションを付け加えることで対処していました．参考までに僕のリンカオプションを書き残しておきます．

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# LDFLAGS
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# link script
LDSCRIPT = STM32F412CGUx_FLASH.ld

# libraries
LIBS = -lc -lm -lnosys -lgcc -lrdimon -lstdc++

LIBDIR = -Llibmouse -Llibpath
LDFLAGS = $(MCU) -specs=nano.specs -specs=rdimon.specs -T$(LDSCRIPT) $(LIBDIR) $(LIBS) -Wl,-Map=$(BUILD_DIR)/$(TARGET).map,--cref -Wl,--gc-sections -u _printf_float

まとめ

統合開発環境を使わずに，STM32CubeMXの自動生成コードをC++に対応させました．
ぶっちゃけ統合開発環境使った方がお手軽ですが，楽しかったので良しとします．

リンカ・ローダ実践開発テクニック―実行ファイルを作成するために必須の技術 (COMPUTER TECHNOLOGY)
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Posted with Amakuri
坂井 弘亮
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おまけ

今年作った書き込み基板，その名も「メジロ」です．

書き込み基板ですが，USBシリアル変換以外にも様々な機能を搭載しています．その都合で，メジロの中にFT231(USB-USART変換IC)が2個載っています．
Linuxでは/dev/ttyUSB0からUSBデバイスを接続した順番に数字が割り振られていくため，複数のUSBデバイスを接続する際には問題になります．おまけでは，解決方法についてまとめます．

まず，FTDIのサポートページからFT_Progをダウンロード，インストールします．Windows専用なので諦めてパソコンを引っ張り出してきてください．

FTDI Utilities

詳しい使い方はユーザーガイドを見てください．このソフトを使って，複数のFTDIチップのシリアルナンバーを変更します．仮に，2つのチップに”ABCDEFGH”と”12345678”を設定したとします．

では両方ともPCに接続します．正しくシリアルナンバーを設定できていれば，/dev/serial/by-id 以下に
“usb-FTDI_FT230X_Basic_UART_ABCDEFGH-if00-port0”
“usb-FTDI_FT230X_Basic_UART_12345678-if00-port0”
というリンクが張られています．この名前は不変です．/dev/ttyUSBx の代わりにこちらを使うようにしましょう．

結論：便利！！