wandering1/STM32F4-Base
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搭建LVGL仿真环境

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2026-08-31 17:09:59 +08:00
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# STM32F4-Base
基于 STM32F407ZGTx 的工业级嵌入式平台固件，集成以太网通信、NAND Flash 存储、ADC 采集、RS-485 通信及 FTP 文件服务。
## 硬件平台
- **MCU**: STM32F407ZGTx @ 168MHz (HSE 8MHz → PLL M=4/N=168/P=2)
- **封装**: LQFP144
- **RTOS**: FreeRTOS V10.3.1 (CMSIS-RTOS V2)
### 外设接口
| 外设 | 接口 | 引脚 | 说明 |
|------|------|------|------|
| CH395F 以太网 | SPI2 | PB12 CS, PB13 SCK, PB14 MISO, PB15 MOSI | 10/100M 以太网控制器 |
| GD5F2GQ5UE NAND | SPI1 | PE0 CS, PB3 SCK, PB4 MISO, PB5 MOSI, PB8 WP, PE1 HOLD | 256MB SPI NAND Flash |
| TPAFE5160 ADC | 并行16位 | PG0-PG15 数据, PD3 RD, PD4 CONVST, PD7 BUSY | 高精度 ADC |
| USART1 | 串口 | PA9 TX, PA10 RX | 115200bps 调试串口 |
| 6x LED | GPIO | PC4, PC5, PB1, PB2, PF11, PF12 | 低电平点亮 |
| RS-485 | UART5 | PC12 TX, PD2 RX, PD0 DE | 半双工通信 |
## 项目架构
```
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 应用层 (App/) │
│ app_main.c │ net_task.c │ ui_task.c │ time_sync.c │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 驱动层 (Drivers/BSP/) │
│ CH395F/ │ GD5F2GQ5UE/ │ TPAFE5160/ │ SD2506/ │ RS485/ │ UI/ │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 中间件 (Middlewares/ & Lib/) │
│ FreeRTOS │ FatFs │ dhara FTL │ LVGL │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ HAL 层 (Drivers/STM32F4xx_HAL_Driver/) │
│ CMSIS (Drivers/CMSIS/) │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 硬件 (STM32F407ZGTx) │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
```
### 启动流程
```
main.c
├─ HAL_Init()
├─ SystemClock_Config() // 168MHz 系统时钟
├─ MX_GPIO/DMA/UART/SPI/I2C_Init() // CubeMX 外设初始化
├─ app_main_init() // 应用层初始化（时间→RS485→NAND→ADC→RTC）
│ ├─ sd2506_init() + sys_clock_init() // 时间子系统优先
│ ├─ rs485_init()
│ ├─ gd5f2gq5ue_init()
│ └─ tpafe5160_init()
├─ osKernelInitialize()
├─ MX_FREERTOS_Init() // 创建任务和事件组
└─ osKernelStart() // 启动调度器
```
### FreeRTOS 任务
| 任务 | 栈大小 | 优先级 | 职责 |
|------|--------|--------|------|
| defaultTask | 2048 words | Normal | FTL + FatFS 挂载（一次性） |
| netTask | 4096 words | Normal | 网络初始化 + CH395F 轮询 |
| ftpTask | 4096 words | Normal | FTP 服务（等待网络+存储就绪） |
| testTask | 4096 words | BelowNormal | 硬件测试入口 |
| uiTask | 16384 words | BelowNormal | LVGL UI 界面 |
| timeSyncTask | 2048 words | Normal | 墙钟时间同步 |
### 任务启动顺序管理
使用 CMSIS-RTOS v2 Event Flags 实现就绪屏障（readiness barrier）：
- `SYS_EVT_NET_READY` (bit 0): netTask 置位
- `SYS_EVT_STORAGE_READY` (bit 1): defaultTask 置位
- `SYS_EVT_FTP_READY` (bit 2): ftpTask 置位（预留）
- `SYS_EVT_TIMESYNC_READY` (bit 3): timeSyncTask 置位（预留）
消费者通过 `osEventFlagsWait()` 阻塞等待，零占用，取代魔法延时和全局变量轮询。
## 目录结构
```
STM32F4-Base/
├── Src/ # CubeMX 生成的源文件（USER CODE 区域可编辑）
│ ├── main.c # 程序入口
│ ├── freertos.c # FreeRTOS 任务创建
│ ├── gpio.c / dma.c / spi.c / i2c.c / usart.c
│ └── stm32f4xx_hal_msp.c / stm32f4xx_it.c
├── Inc/ # CubeMX 生成的头文件
│ ├── main.h / FreeRTOSConfig.h / stm32f4xx_hal_conf.h
│ └── gpio.h / dma.h / spi.h / i2c.h / usart.h
├── App/ # 应用层代码
│ ├── app_main.c/h # 应用初始化入口
│ ├── app_cfg.h # 功能模块编译开关
│ ├── sys_events.h # 系统就绪事件定义
│ ├── sys_clock.c/h # 墙钟时间管理
│ ├── time_sync.c/h # 时间同步任务
│ ├── task/ # FreeRTOS 任务实现
│ │ ├── net_task.c/h # 网络任务
│ │ ├── ui_task.c/h # UI 任务
│ │ ├── adc_task.c/h # ADC 任务
│ │ └── rs485_task.c/h # RS-485 任务
│ ├── protocol/ # 通信协议（预留）
│ └── util/ # 工具函数（CRC、环形缓冲等）
├── Drivers/
│ ├── BSP/ # 板级驱动（手工编写）
│ │ ├── CH395F/ # 以太网控制器驱动
│ │ ├── GD5F2GQ5UE/ # NAND Flash 驱动 + FTL
│ │ ├── TPAFE5160/ # ADC 驱动
│ │ ├── SD2506/ # RTC 驱动
│ │ ├── RS485/ # RS-485 通信驱动
│ │ ├── NET/ # BSD Socket API 网络抽象层
│ │ │ ├── net_socket.c/h # Socket API
│ │ │ ├── net_select.c/h # select/poll 多路复用
│ │ │ └── lftpd/ # 轻量 FTP 服务器
│ │ └── UI/ # LVGL UI 组件
│ ├── STM32F4xx_HAL_Driver/ # ST HAL 库
│ └── CMSIS/ # ARM CMSIS
├── Lib/ # 第三方库
│ ├── dhara/ # NAND FTL 算法
│ ├── FatFs/ # FAT 文件系统
│ └── lvgl/ # 图形库
├── Middlewares/
│ └── Third_Party/FreeRTOS/ # FreeRTOS 内核
├── MDK-ARM/ # Keil 工程
│ ├── STM32F407-Demo.uvprojx # 工程文件
│ ├── build.bat # 命令行编译脚本
│ ├── download.bat # 烧录脚本
│ └── startup_stm32f407xx.s # 启动文件
├── test/ # 测试代码与脚本
│ ├── run_boot_test.ps1 # 自动化启动测试
│ ├── verify_log.ps1 # 日志校验脚本
│ ├── serial_capture.ps1 # 串口捕获脚本
│ ├── ch395f_test_task.c/h # CH395F 硬件测试
│ ├── gd5f_test_task.c/h # NAND Flash 测试
│ ├── net_test_task.c/h # 网络层测试
│ ├── sd2506_test_task.c/h # RTC 测试
│ └── storage_test_task.c/h # 存储性能测试
├── docs/ # 项目文档
│ ├── 问题记录/ # 已知陷阱与解决方案
│ ├── 测试说明/ # 测试指南
│ └── 芯片手册/ # 硬件数据手册
├── tools/ # 开发工具
│ └── font_gen/ # 中文字体生成工具
├── STM32F407-Demo.ioc # CubeMX 工程文件
└── AGENTS.md # AI 开发规范
```
## 构建系统
### 环境要求
- **Keil MDK-ARM v5** (ARMCC 编译器)
- **Python 3**（测试脚本）
- **ST-Link** 或兼容调试器
### 编译
```bash
# 方式一：命令行编译（推荐）
MDK-ARM\build.bat
# 方式二：Keil IDE
# 打开 MDK-ARM\STM32F407-Demo.uvprojx → Build (F7)
```
退出码：0 = 成功 | 1 = 有警告 | 2+ = 错误
编译日志：`MDK-ARM/build_log.txt`
### 烧录
```bash
MDK-ARM\download.bat
```
## 驱动开发指南
### CH395F 以太网
- 单连接模式：Socket 0 复用监听和数据通道
- 中断统一处理：所有中断在 `net_poll()` 中通过 `GET_GLOB_INT_STATUS` 集中读取清除
- SPI 事务必须用 `ch395f_spi_begin()` / `ch395f_spi_end()` 包裹
- SPI 分频系数必须为 8（PCB 设计限制）
### GD5F2GQ5UE NAND Flash
- 三层软件栈：FatFS → dhara FTL → NAND 驱动
- FTL 提供 LBA 映射、磨损均衡、坏块管理、垃圾回收
- 物理分区：全部 2048 块用于 FTL + FatFS
### 网络层 (NET)
- BSD Socket API 抽象：`net_socket.h/c`
- select/poll I/O 多路复用：`net_select.h/c`
- 线程安全通过消息队列（`netMsgQueue`）实现
- 所有 CH395F 操作在 netTask 中串行处理
### 时间子系统
- SD2506 RTC 提供初始时间
- sys_clock 将 RTC 时间转为 Unix epoch 墙钟基准
- timeSyncTask 通过 TCP 同步墙钟时间
## 自动化测试
### 启动测试
```bash
# 一键测试：构建 → 串口捕获 → 烧录 → 日志校验
powershell -ExecutionPolicy Bypass -File test\run_boot_test.ps1
```
退出码：0 = PASS | 1 = FAIL | 2 = 错误
### 测试模块
| 模块 | 测试文件 | 说明 |
|------|----------|------|
| CH395F 硬件 | `ch395f_test_task.c` | SPI 通信、寄存器读写 |
| NAND Flash | `gd5f_test_task.c` | 页读写、块擦除、ECC |
| 网络层 | `net_test_task.c` | BSD Socket、TCP/UDP |
| RTC | `sd2506_test_task.c` | 时间读写、温度、电池 |
| 存储性能 | `storage_test_task.c` | FTL/FatFS 读写速度 |
### 串口调试
通过 `serial-mcp-server` 自主读取 USART1 串口打印：
- 端口配置：`.opencode/serial_config.json`
- 详见 `docs/测试说明/serial-mcp-server_串口调试.md`
## 开发规范
### 源码编辑安全
**铁律**：绝不用 `Get-Content` / `Set-Content` / `cmd` 重写含中文的源码文件，会导致不可逆乱码。
- **改代码只用 Edit 工具**（精确子串替换）
- 发现乱码先评估能否用 Edit 修复，不要急着 `git checkout`
### CubeMX 生成文件
- `Inc/` 和 `Src/` 中的文件带有 `USER CODE BEGIN`/`END` 标记
- 自定义代码必须写在这些区域之间
- `Drivers/BSP/` 下的驱动文件为纯手工代码，不受 CubeMX 保护
### 编译验证
**所有代码修改后必须编译通过（0 错误 0 警告）才能提交。**
### 新增文件
新文件需手动添加到 Keil MDK 工程才能编译。
## 关键文件索引
| 文件 | 说明 |
|------|------|
| `Src/main.c` | 程序入口，CubeMX 生成 + USER CODE 区域 |
| `Src/freertos.c` | FreeRTOS 任务创建 |
| `App/app_main.c` | 应用初始化流程编排 |
| `App/task/net_task.c` | 网络任务主循环 |
| `App/sys_events.h` | 系统就绪事件定义 |
| `App/app_cfg.h` | 功能模块编译开关 |
| `Drivers/BSP/CH395F/ch395f.c` | 以太网控制器驱动 |
| `Drivers/BSP/GD5F2GQ5UE/gd5f2gq5ue.c` | NAND Flash 驱动 |
| `Drivers/BSP/NET/net_socket.c` | BSD Socket API |
| `MDK-ARM/build.bat` | 编译脚本 |
| `test/run_boot_test.ps1` | 自动化测试脚本 |
## 已知问题
详见 `docs/问题记录/` 目录：
- `CH395F_Trap_Records.md` — 以太网控制器已知陷阱
- `GD5F2GQ5UE_Trap_Records.md` — NAND Flash 已知陷阱
- `SD2506_Trap_Records.md` — RTC 已知陷阱
## 文档
- `docs/项目启动顺序管理.md` — Event Flags 就绪屏障设计
- `docs/STM32F4-Base存储架构说明.md` — 三层存储软件栈详解
- `docs/嵌入式C语言代码规范（V1.0）.md` — 代码规范
- `docs/测试说明/自动化测试流程.md` — 测试流程说明
- `docs/芯片手册/` — 硬件数据手册
## 许可证
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