立创·天空星开发板-GD32F407VE-环境搭建

本文以 立创·天空星开发板-GD32F407VET6-青春版 作为学习的板子，记录学习笔记。

立创·天空星开发板-GD32F407VET6-环境搭建

单片机
- ARM
- - ARM内核系列
  - Cortex-M系列
  - 常用ARM芯片厂商
- GD32
- - GD32的产品系列
  - 开发板
  - - 开发板资源、尺寸标注图
    - 设计图纸
  - GD32F407
- Keil ARM 安装
- - 下载地址
  - 安装步骤
  - - GD32开发包安装
- 点灯仪式
- - 排错

单片机

单片机（Microcontroller）是一种集成电路芯片，它集成了处理器、存储器、输入/输出接口以及各种功能模块于一身。

总线：

总线是一组导线，连接了单片机中的各个部分，如处理器、存储器和输入/输出接口。它负责在各个部件之间传递信息和数据。常见的总线有地址总线、数据总线和控制总线。

地址总线：用于传递存储器和外设的地址信息。
数据总线：用于传输实际的数据。
控制总线：用于传递控制信号，如读写操作。

总线与外设通信：单片机通过总线与外设进行通信。当处理器需要与外设通信时，它会将外设的地址放在地址总线上，将要传输的数据放在数据总线上，并通过控制总线发送控制信号，以实现对外设的读写操作。

GPIO（General Purpose Input/Output，通用输入输出）：

GPIO，全称为“通用输入/输出”（General Purpose Input/Output），是计算机系统中用于与外部世界进行数字通信的一种接口标准。它允许硬件和软件通过电信号来交换数据，控制外部设备或接收外部事件。GPIO 模式有：

模式	性质
浮空输入	数字输入
上拉输入	数字输入
下拉输入	数字输入
模拟输入	模拟输入
开漏输出	数字输出
推挽输出	数字输出
复用开漏输出	数字输出
复用推挽输出	数字输出

GPIO通常用于连接各种外设，如按钮、LED灯、传感器、马达、继电器等，以便与计算机系统进行交互。

通信协议：

单片机与外设之间通信的方式有很多，通常需要遵循一定的协议。以下是一些常见的通信协议：
● UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）：这是一种异步串行通信协议，用于在单片机与外设之间传输数据。UART通信需要两根线：一根用于发送数据（TX），另一根用于接收数据（RX）。
● SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）：SPI是一种同步串行通信协议，使用主从模式进行通信。它需要四根线：时钟线（SCLK）、主设备数据输出线（MOSI）、主设备数据输入线（MISO）和片选线（SS）。
● I2C（Inter-Integrated Circuit，内部集成电路总线）：I2C是一种同步串行通信协议，使用主从模式进行通信。它只需要两根线：串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）。

ARM

ARM是一种芯片架构，由英国的ARM Holdings公司开发和授权，被广泛应用于各种嵌入式系统、移动设备和消费电子产品中。ARM架构被设计成低功耗、高性能、可定制化的特点，能够满足各种应用场景下的需求。ARM架构主要设计了以下几个部分内容：

指令集架构（Instruction Set Architecture）：

ARM架构是基于精简指令集计算机（RISC）架构设计的，其指令集具有高效的指令执行速度、较小的代码大小和低功耗等特点。ARM架构提供了多个指令集版本，包括32位和64位，不同版本的指令集支持不同的特性和功能，以适应不同的应用场景。

存储器架构（Memory Architecture）：

ARM架构的存储器架构包括内存、闪存、EEPROM等类型，它们提供了不同的存储特性和使用场景。ARM架构还支持虚拟内存技术，通过虚拟地址和物理地址映射实现了对于内存的更高效的利用，提高了系统的运行效率和稳定性。

总线架构（Bus Architecture）：

ARM架构的总线架构包括数据总线、地址总线和控制总线等，它们提供了连接CPU、存储器、外设等各个部件之间的通信和数据传输。ARM架构的总线架构是高度灵活和可扩展的，可以适应不同的应用场景和系统需求。

处理器架构（Processor Architecture）：

ARM架构的处理器架构包括中央处理器（CPU）、图形处理器（GPU）、数字信号处理器（DSP）等。ARM架构的处理器架构具有高性能、低功耗、低成本等特点，可以适应不同的应用场景和设备类型。

安全架构（Security Architecture）：

ARM架构的安全架构提供了各种安全功能和特性，包括硬件加密、安全存储、安全启动等。ARM架构的安全架构可以保护系统的安全性和稳定性，防止恶意攻击和数据泄露等安全问题。

ARM内核系列

ARM公司设计的处理器内核有很多种，根据不同的应用场景和性能需求，可以选择不同的内核进行设计。以下是一些常见的ARM内核：

Cortex-A系列：面向高性能应用领域的内核，主要用于移动设备、智能终端、高端嵌入式系统等领域。Cortex-A系列内核具有高性能、高可扩展性、丰富的外设接口和低功耗等优点。
Cortex-R系列：面向实时应用领域的内核，主要用于工业控制、汽车电子、航空航天等领域。Cortex-R系列内核具有高可靠性、低延迟、强实时性和硬件保护等特点。
Cortex-M系列：面向低功耗嵌入式系统的内核，主要用于智能传感器、便携式设备、家用电器等领域。Cortex-M系列内核具有低功耗、低成本、高效能、易于开发等特点。
ARM7系列：面向嵌入式系统领域的内核，主要用于控制器、存储设备、安全芯片等领域。ARM7系列内核具有低成本、低功耗、高集成度、易于开发等特点。
ARM9系列：面向嵌入式系统领域的内核，主要用于数字音视频、通信、网络设备等领域。ARM9系列内核具有高性能、多媒体处理能力、丰富的外设接口和易于扩展等特点。

Cortex-M系列

Cortex-M系列是ARM公司推出的一种面向低功耗嵌入式系统的处理器内核，主要用于智能传感器、便携式设备、家用电器等领域。Cortex-M系列内核具有低功耗、低成本、高效能、易于开发等特点，是目前嵌入式系统领域最受欢迎的处理器内核之一。根据不同的性能和功耗需求，Cortex-M系列内核又分为以下几类：

Cortex-M0系列：面向低功耗、成本敏感型应用，适用于智能传感器、安全芯片、家用电器等领域。Cortex-M0系列内核的主频通常在10MHz-50MHz之间，具有低功耗、低成本、易于开发等特点。
Cortex-M3系列：面向高性能、实时应用，适用于工业控制、汽车电子、医疗设备等领域。Cortex-M3系列内核的主频通常在50MHz-120MHz之间，具有高性能、强实时性和硬件保护等特点。
Cortex-M4系列：基于Cortex-M3系列内核，增加了DSP和浮点运算单元，适用于音视频处理、图像处理、控制算法等领域。Cortex-M4系列内核的主频通常在80MHz-240MHz之间，具有高性能、DSP(Digital Signal Processing)和浮点运算能力等特点。
Cortex-M7系列：基于Cortex-M4系列内核，增加了双精度浮点运算单元和指令预取器等特性，适用于音视频编解码、高速通信等领域。Cortex-M7系列内核的主频通常在200MHz-400MHz之间，具有高性能、低延迟和高精度的浮点运算能力等特点。

常用ARM芯片厂商

国内/国外	公司	知名芯片	官网
国外	意法半导体	STM32	https://www.st.com/
国外	恩智浦	LPC系列，K系列，KL系列，i.MX系列	https://www.nxp.com/
国外	瑞萨电子	RA系列	https://www.renesas.cn
国外	德州仪器	AM系列	https://www.ti.com/
国外	高通	Qualcomm	https://www.qualcomm.com/
国内	兆易创新	GD32系列	https://www.gigadevice.com.cn/
国内	国民技术	N32系列	https://www.nationstech.com/
国内	武汉芯源	CW32	https://www.whxy.com/
国内	深圳航顺	HK32	https://www.hsxp-hk.com/
国内	华大半导体	HC32	https://www.hdsc.com.cn/
国内	瑞芯微	RK系列（rk3568）	http://www.rock-chips.com/
国内	全志科技	R系列，V系列，A系列	https://www.allwinnertech.com/
国内	联发科	MTK	https://www.mediatek.com/

GD32

GD32是一款由中国芯片制造商GigaDevice推出的32位ARM Cortex-M微控制器系列。

它们与 STMicroelectronics 的STM32系列微控制器非常相似，使用相同的 ARM Cortex-M 内核，提供广泛的外设和功能，包括各种通信接口、模拟输入输出、数字输入输出、定时器、中断控制器等等。

GD32的产品系列

● L系列：基于Cortex-M23内核，主要特点是低功耗和低成本，适用于高端家电、消费电子、医疗设备、工业控制等领域。
● F系列：基于Cortex-M4内核，主要特点是高性能和丰富的外设资源，适用于高端消费电子、医疗设备、工业控制、安防监控等领域。
● E系列：基于Cortex-M0+内核，主要特点是超低功耗和小尺寸，适用于物联网、可穿戴设备、智能家居等领域。
● V系列：基于Cortex-M0内核，主要特点是低功耗和高性价比，适用于低端家电、消费电子、LED灯等领域。
● C系列：基于Cortex-M4内核，主要特点是高性能和低功耗，适用于智能家居、安防监控、工业控制等领域。
● W系列：基于Cortex-M33内核，主要特点是超低功耗和高性价比，适用于物联网、可穿戴设备等领域。
● A系列：基于Cortex-A7内核，主要特点是高性能和丰富的外设资源，适用于高端工业控制、嵌入式计算机等领域。

开发板

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开发板资源、尺寸标注图

设计图纸

层次总框图
详细设计图：https://pro.lceda.cn/editor#id=1949206d8e694271bd8ab6f068e260c2

GD32F407

GD32F4xx系列器件是基于Arm® Cortex®-M4处理器的32位通用微控制器。
存储器的组织采用了哈佛结构，预先定义的存储器映射和高达4 GB的存储空间，充分保证了系统的灵活性和可扩展性。

GD32F405/407为Cortex®-M4互联型
512K~3072K Flash，192K SRAM
高达168MHz，支持FPU
2.6~3.6V供电，5V容忍I/O
-40℃~85 ℃工业级温度范围
全系列硬件管脚及软件兼容

Keil ARM 安装

Keil是一家嵌入式系统开发工具提供商，其主要产品是Keil MDK（Microcontroller Development Kit），是一款集成开发环境（IDE），支持多种芯片架构，包括ARM、C51、C251等，可以进行代码编辑、编译、调试、仿真等工作。

下载地址

keil社区版下载地址：https://www.keil.arm.com/mdk-community/
keil官方支持版下载地址：https://www.keil.com/download/product/

安装步骤

一般来说，一路点击下一步即可，如果需要自定义安装路径，有以下几点注意事项：

● 路径中一定不要有中文或空格路径
● Core路径要放到和C51相同的Keil路径（例如默认的C:\Keil_v5）
● 如果安装路径和C51不同，会导致C51项目无法直接双击打开
● 安装过程如提示有文件覆盖就点确认，进行覆盖
● Pack路径可以使用默认路径，也可以参考以下自定义路径结构

Core：D:\Program\Keil\KeilC51_v5\
Pack：D:\Program\Keil\KeilC51_v5\ARM\Packs

附上一张图，更加直观：

在这里插入图片描述

GD32开发包安装

GD32 开发包可以选择在线安装和离线安装两种方式

在线安装

打开 Keil, 点击 Pack Installer，选择 GD32F407VE，然后点击安装，下图是已经安装过后的界面

再按安装开发包

离线安装

从官网下载 GD32F4XX AddOn 文件进行安装，直接允许下载后的文件即可，它会自动定位到 Keil Arm 的包存储路径。需要注意的是，该文件放置的路径不要有特殊符号。例如

D:\Program\Keil\GigaDevice.GD32F4xx_DFP.3.2.0.pack

点灯仪式

创建一个项目，点亮开发板上的用户 LED 灯

下载固件库文件

文件目录结构如下所示：

GD32F4xx_Firmware_Library_V3.2.0
├─Docs
│  ├─Schematic
│  └─User Guide
├─Examples
├─Firmware
│  ├─CMSIS
│  │  └─GD
│  │      └─GD32F4xx
│  │          ├─Include
│  │          └─Source
│  │              ├─ARM
│  │              └─IAR
│  ├─GD32F4xx_standard_peripheral
│  │  ├─Include
│  │  └─Source
│  └─GD32F4xx_usb_library
├─Template
│  ├─IAR_project
│  └─Keil_project
└─Utilities

GD32F407VE_01_LED
├─Driver
├─Firmware
│  ├─CMSIS
│  │  └─GD
│  │      └─GD32F4xx
│  │          ├─Include
│  │          └─Source
│  │              ├─ARM
│  │              └─IAR
│  ├─GD32F4xx_standard_peripheral
│  └─GD32F4xx_usb_library
├─Project
│  ├─Listings
│  └─Objects
└─User

不难理解的是，CMSIS（Cortex Microcontroller Software Interface Standard）目录中存放的是固件抽象层的代码。

所以，在 CMSIS 目录存放的是 core_cm4.h 、core_cm4_simd.h 、 core_cmFunc.h 、 core_cmInstr.h 这些头文件，它们为 Cortex-M 处理器系列定义了通用工具接口，使得开发人员可以为处理器和外设实现一致且简单的软件接口。

在 CMSIS\GD\GD32F4xx\ 目录中存放的是针对 CMSIS 中存放的抽象接口的具体实现，这些实现是根据不同的芯片来决定的。我们采用的是 GD32F407VE，故而，这些实现由兆易创新公司提供。

另外，SPL（Standard Peripheral Library）目录中存放的是 GD32 标准库文件。Project 目录就是 Keil 的工程目录，以及相关的临时文件。

设计好目录结构后，就可以将固件库中的模板代码拷贝到自己的工程中。

将固件库中的 Firmware 完整拷贝到项目中，名称也是 Firmware
将固件库中的 Template 中的代码拷贝到项目中的 User 中。包括：gd32f4xx_it.c 、gd32f4xx_libopt.h 、 main.h 、 systick.h、gd32f4xx_it.h、 main.c 和 systick.c

创建好的项目结构如下：

项目结构
同时需要将文件设置到 Include Path 中，如下所示：
配置 Include Path

修改主时钟频率

打开 system_gd32f4xx.h 文件，将 __SYSTEM_CLOCK_240M_PLL_25M_HXTAL 注释，这个时钟配置代表主频是 240MHz，晶振频率为 25MHz，但 天空星开发板-GD32F407VET6 的主频是 168MHz，外部晶振是 8MHz，所以，需要将 __SYSTEM_CLOCK_168M_PLL_8M_HXTAL 注释解开。如下所示：
修改主频
4. 编写点灯代码

#include "gd32f4xx.h"
#include "systick.h"
#include <stdio.h>
#include "main.h"

void GPIO_config(void) {
    // 1. 时钟初始化
    rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOB);
    // 2. 配置GPIO 输入输出模式
    gpio_mode_set(GPIOB, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_2);
    // 3. 配置GPIO 模式的操作方式
    gpio_output_options_set(GPIOB, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_2MHZ, GPIO_PIN_2);
}

int main(void) {
    systick_config();
    GPIO_config();

    while(1) {
        // 设置PB2为高电平
        gpio_bit_set(GPIOB, GPIO_PIN_2);
        delay_1ms(1000);
        // 设置PB2为低电平
        gpio_bit_reset(GPIOB, GPIO_PIN_2);
        delay_1ms(1000);
    }
}