实用STM32的串口控制平台的实现

1. 前言

玩过Linux的朋友, 是不是对Linux无所不能的串口Shell命令控制台羡慕不已, 要是自己做的STM32F系列低档次的MCU也有这种控制交互能力, 会给调试/维护和配置省下多少麻烦事呀, 比如启动/关闭调试或自检模式, 打印调试信息, 配置系统参数, 传输文件等等, 也有相当多的朋友凭借自己出色的编程能力可以实现这些功能, 这里提出我的这个解决方案, 以作交流.

本平台(xc_shell)具备以下性能特点:

1) 大量主要代码, 和具体硬件无关, 移植性强,代码文件少.

2) 只有在处理用户的输入命令时, 才占用CPU资源, 且代码可裁剪到1KB SRAM和4KB Flash;

3) 用户可以非常灵活的添加按模板编写的命令脚本文件, 自定义扩张能力强.

4) 支持操作系统和非操作系统两种场景应用.

5) 支持Ymodem文件传输协议

6) 支持将Flash的扇区开辟为参数区, 可实现本地/远程升级。

7) 实用Led灯信号管理, 可将65535虚拟信号灯选择输出到1个实体LED灯上, 调试时序和状态非常有用

8) 拥有基础的LED管理, 调试模式设置, 命令帮助指令, 复位指令等基础功能 

功能越多设计会越复杂, 为了解释清楚代码, 先向大家解释一下以上功能的基础实现原理， 并提供一个最小的的源码工程。

2. xc_shell平台介绍

2.1 如何实现硬件无关

类比Linux会发现, 设备的硬件接口往往会被虚拟成一个文件(驱动), 而Linux内核完全与硬件系统无任何字节关联, 不同平台驱动不同而已, 故而本xc_shell的串口驱动也采用了相似的思路:

1) 串口驱动用一个结构体描述, 这样只需在xc_shell.c中用指针指向这个TTYx_HANDLE结构体对象就可以将串口(tty)硬件与内核联系在一起, 聪明的朋友可能会想到, 假如我将带网络的开发板按此结构体,虚拟一个TTY对象, 岂不是就可以实现一个网络远程控制台了!  这点确实是可以的!

2） 当然诸如多TTY串口实现接口互换等， 都是一个指针和step2中的注入回调处理交换的问题。

3）用户在使用api_TxdFrame或api_TxdByte时”bsp_ttyX.c“，会驱动具体MCU的串口将数据发送出去， 收到一帧数据后，若用户设置了inj_RcvFrame回调处理方法，则会在中断中执行用户的回调处理。

/*---------------------* 

*     指正函数定义

*----------------------*/

typedef void    (*pvFunDummy)(void);

//输入整行,输出逻辑

typedef void    (*pvFunVoid) (void);

typedef void    (*pvFunBool) (bool     bVal);

typedef void    (*pvFunChar) (uint8_t  cVal);

typedef void    (*pvFunShort)(uint16_t sVal);

typedef void    (*pvFunWord) (uint32_t wVal);

//输入整行,输出逻辑

typedef bool    (*pbFunVoid) (void);

typedef bool    (*pbFunBool) (bool     bVal);

typedef bool    (*pbFunChar) (uint8_t  cVal);

typedef bool    (*pbFunShort)(uint16_t sVal);

typedef bool    (*pbFunWord) (uint32_t wVal);

//输入整形指针,输出逻辑

typedef bool    (*pbFun_pVoid) (void * pVoid);

typedef bool    (*pbFun_pChar) (uint8_t  * pStr);

typedef bool    (*pbFun_pShort)(uint16_t * pShor);

typedef bool    (*pbFun_pWord) (uint32_t * pWord);

//输入数据帧,输出逻辑

typedef bool    (*pbFun_Buffx)(void * pcBuff, uint16_t len );

typedef bool    (*pbFun_Bytex)(uint8_t * pcByte, uint16_t len );

/*---------------------* 

*    TTYx 句柄结构

*----------------------*/

typedef struct TTYx_HANDLE_STRUCT 

{

    const char  * const name;       //驱动器名

    const uint16_t      rxSize;     //接收大小

    const uint16_t      txSize;     //发送大小

    //------------------------------------------------------

    //step1: 用户可用API

    const pvFunWord     init;           //初始化.

    const pbFun_Bytex   api_TxdFrame;   //发送数据帧. (发送帧)

    const pbFunChar     api_TxdByte;    //发送数据字节

    //------------------------------------------------------

    //step2: 注入回调函数

    pbFun_Bytex         inj_RcvFrame;   //(ISR)接收数据帧. (接收帧)

    pvFunDummy          inj_TxdReady;   //(ISR)发送完毕回调

    //------------------------------------------------------

    //step3: 接收回调函数

    struct TTYx_HANDLE_STRUCT * pvNext; //连接到下一个指令 

}TTYx_HANDLE;

2) 可注入的命令脚本（CLI）实现

命令CLI也是一个结构体对象：

/*---------------------* 

*       CLI指令

*----------------------*/

typedef struct

{

const char * const  pcCmdStr;     //指令字符串(只能为小写字母)

const char * const  pcHelpStr;     //指令描述,必须以:'rn结束'. 比如:'help: Returns a listrn'.

const pFunHook      pxCmdHook;     //指向回调函数的指针,处理成功返回真否者返回0;

uint8_t             ucExpParam;     //指令期望的参数个数

const MEDIA_HANDLE *phStorage;      //指向存储介质,没有的话填充NULL  

}Cmd_Typedef_t;

各位朋友可能会使用到非常多的自定义CLI命令， 格式诸如这个网卡的命令：

const Cmd_Typedef_t CLI_WizMsg=

{

    //识别关键字

    .pcCmdStr   = 'wiz',

    //帮助内容

    .pcHelpStr  =

    '[WIZ contorls]rn'

' wiz helprn'

' wiz rd inforn'

' wiz resetrn'

' wiz wr ip

' wiz wr mask

' wiz wr way

' wiz wr mac

' wiz wr port

' wiz wr sip

' wiz wr cip

' wiz load defaultrn'

'[WIZ Test mode]rn'

' wiz loop openrn'

' wiz loop closern'

'rn',

//处理函数

.pxCmdHook  = &Shell_WIZ_Service,        //见实体函数

//附带数据

.ucExpParam = 0,

  #ifdef SHELL_USE_YMODEM  

    //存储介质

    .phStorage  = NULL,

  #endif

};

/*---------------------* 

*       CLI 链表节

*----------------------*/

Cmd_List_t  WizList   = { &CLI_WizMsg,   NULL,}; //Shell指令的头

如配置IP地址输入“wiz wr ip 192.168.1.250rn”则可以了

3. 环境准备

3.1 硬件开发环境

STM32F103系列开发板一块， 带USART1接口。

USB转串口线一根。

3.2 软件开发环境

MDK4.72或以上

SecureCRT串口超级终端

3.3 软件配置

在xc_shell使用“/r/n”作为命令的结束符， 而SecureCRT按下Enter不是输入“/r/n”故而需要按下图设置：

此外在《终端》/仿真/高级中选取【本地回显】

4. 代码介绍

4.1 目录结构

□ XC_SHELL

├──┬── BSP_LIB    BSP库，硬件相关驱动代买

│  ├──── bsp_ledx.c   基础LED驱动      

│  └──── bsp_tty0.c   调试串口驱动

│

├──┬──MDK-ARM     工程文件

│  └──── Project.uvproj

│

├──┬──SHELL_CFG   SHELL配置头文件

│  └──── user_eval.h

│

├──┬──SHELL_CORE  SHELL内核文件

│  ├──── xc_shell.c   SHELL内核文件

│  ├──── xc_ymodem.c  Ymodem传输协议（默认关闭，在xc_shell.h中启动）

│  ├──── xc_iap.c     Flash的IAP操作，需要bsp_flash.c驱动支持

│  └──── shell_iap.c  shell的用户脚本模板

│

├──┬──SHELL_INC   SHELL头文件

│  ├──── bsp_type.h   驱动结构定义

│  ├──── xc_shell.h   SHELL头文件

│  └──── xconfig.h    硬件无关配置文件

│

├──┬──STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0  STM32的标准外设库

│  └──── ......

│

└──┬──USER        用户文件    

   ├─ .....       

   └──── main.c        main文件

4.2 工程设置要点

1） 设置使用微库：

2）配置包含和路径，注意使用了“--c99”标准，如图

3） 编译工程，无错误警告后烧写程序到开发板运行。

4.3 最终效果

按图输入一下指令，SHELL平台会回复相关信息。其中输入“led set 0=1”会将信号1分配到物理LED0上； 输入“led set 0=2”会将信号2分配到物理LED0上。这样用户编写程序代码时相当于拥有了超级多的LED信号可用，调试时序非常有用。

5. 添加自己的指令脚本

5.1 源代码示例

假设我要编写一个自己的指令脚本， 来读取MCU的关键信息，关键字为mcu， 文件命名为shell_mcu.c； 当输入“mcu rd 0”时显示MCU的FLASH大小，输入“mcu rd 1”时读取MCU的唯一ID信息。

shell_mcu.c源代码：

/*********************************Copyright (c)*********************************

**                               

**                                 FIVE工作组

**

**---------------------------------File Info------------------------------------

** File Name:               shell_mcu.c

** Last modified Date:      2017/9/17 15:13:57

** Last Version:            V1.0

** Description:             shell测试

**

**------------------------------------------------------------------------------

** Created By:              wanxuncpx

** Created date:            2017/9/17 15:14:08

** Version:                 V1.0

** Descriptions:            none

**------------------------------------------------------------------------------

** HW_CMU:                  STM32F103

** Libraries:               STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0

** version                  V3.5

*******************************************************************************/

/******************************************************************************

更新说明:

******************************************************************************/

/******************************************************************************

*********************************  编 译 控 制 ********************************

******************************************************************************/

#define MCU_SHELL               //注释掉时屏蔽iap shell功能

#include 'xc_shell.h'       //Shell支持文件,含bool,uint8_t..以及串口数据收发操作

/******************************************************************************

********************************* 文件引用部分 ********************************

******************************************************************************/

/*---------------------* 

*     模块驱动引用

*----------------------*/

//#include 'net_w5500.h'

#ifdef MCU_SHELL

/******************************************************************************

********************************** Shell实例 **********************************

******************************************************************************/

/*---------------------* 

*      CLI指令服务

*----------------------*/

extern bool Shell_MCU_Service(void * pcBuff, uint16_t len );

/*---------------------* 

*       CLI 结构

*----------------------*/

const Cmd_Typedef_t CLI_McuMsg=

{

    //识别关键字

    'mcu',

    //帮助内容

'[mcu contorls]rn'

' mcu rd

'rn',

//处理函数

&Shell_MCU_Service,

//附带数据

0,

  #ifdef SHELL_USE_YMODEM  

    //存储介质

    NULL,

  #endif

};

/*---------------------* 

*     CLI链表节(输出)

*----------------------*/

Cmd_List_t  McuList  = {&CLI_McuMsg      ,NULL}; //IAP指令链表

/******************************************************************************

********************************* 函 数 声 明 *********************************

******************************************************************************/

/******************************************************************************

/ 函数功能:STM32F103控制函数

/ 修改日期:2015/7/14 20:22:02

/ 输入参数:none

/ 输出参数:none

/ 使用说明:需要执行约10s

******************************************************************************/

static bool FLASH_ioctl(uint8_t cmd,void * param)

{

    #define UID_ADDR            0x1FFFF7E0  //闪存容量寄存器,值对应KB单位

    #define MAC_ADDR            0x1FFFF7E8  //MCU的唯一ID号,共12个字节

    #define UID_SIZE            2           //UID的字节数

    #define MAC_SIZE            12          //MAC的字节数

    //step1: 检查参数

    if(!param)return false;

    //step2: 处理数据

    switch(cmd){

      case 0 : {       //获取FLASH的的UID

        uint16_t * ptDst = (uint16_t *)((uint32_t)param+1);

        *ptDst = *(uint16_t *)UID_ADDR;

        *(uint8_t  *)param =  UID_SIZE;

        return true;

      }

      case 1 : {       //获取芯片的MAC地址

        uint32_t * ptDst = (uint32_t *)((uint32_t)param+1);

        uint32_t * ptSrc = (uint32_t *)MAC_ADDR;

        *ptDst++ = *ptSrc++;

        *ptDst++ = *ptSrc++;

        *ptDst++ = *ptSrc++;

        *(uint8_t  *)param = MAC_SIZE;

        return true;

      }

      default:return false;

    }

}

/******************************************************************************

/ 函数功能:文件系统Shel指令处理

/ 修改日期:2013/9/10 19:04:15

/ 输入参数:输入当前的程序版本

/ 输出参数:none

/ 使用说明:none

******************************************************************************/

bool Shell_MCU_Service(void * pcBuff, uint16_t len )

{

    uint8_t    *ptRxd;          //用于接收指令处理

    int         i;

    uint16_t    retval;

    uint8_t     buff[32];

    //处理指令

    //--------------------------------------------------------------------------

    ptRxd = (uint8_t *)pcBuff;

    if(StrComp(ptRxd,'rd ')) //读取FLASH信息

    {

        int wval;

        if(1 != sscanf((void *)ptRxd,'%*s%d',&wval) )return false;

        if( wval>2 )return false;

        if(0==wval) {

            FLASH_ioctl(0,buff);

            retval = *(uint16_t *)(buff+1) ;

            printf('->Flash:t%dKBrn',retval);

            return true;

        }

        else if(1==wval) {

            FLASH_ioctl(1,buff);

            printf('->MAC:t ');

            for(i=0; i

            printf('%02Xrn',buff[i+1]);

            return true;

        }

        else return false;

    }

    else if(StrComp(ptRxd,'helprn'))      //指令帮助

    {

        shell_SendStr((void *)CLI_McuMsg.pcHelpStr);

        return true;

    }

    else return false;

}

/******************************************************************************

***********************************   END  ************************************

******************************************************************************/

#endif

5.2 实现步骤

1） 将该文件添加到工程下。

2） 在main.c中用extern 引用McuList，源代码为：

/*---------------------* 

*     Shell指令链表

*----------------------*/

extern Cmd_List_t  McuList;

3）在main.c初始化时添加：

//----------------------------------------------------------

    //step1: shell初始化

    shell_Init(115200,ledx_cfg);        //初始化shell接口

    CLI_AddCmd(&McuList);     //添加模块指令到链表

4）编译工程文件。

5）下载到开发板运行即可在终端下看到新支持的CLI指令：