ARM编译器深度解析:从Keil到VSCode的STM32开发之

应用市场2025-11-16 15:24

前言

做了这么多年嵌入式开发,Keil MDK一直是我的主力工具。但随着项目规模越来越大,Keil的一些局限性也逐渐暴露出来:编辑器功能相对简陋、代码提示不够智能、多文件跳转效率低、界面不够现代化等等。最让人头疼的是,Keil的授权费用对个人开发者来说确实是笔不小的开支。

经过一段时间的摸索,我现在已经完全转向VSCode + ARM-GCC的开发方式,效率提升明显。这篇文章会详细记录整个迁移过程,希望能帮到有同样需求的朋友。

一、ARM编译器家族概述

1.1 ARMCC(ARM Compiler)

ARMCC是ARM官方推出的编译器,也就是Keil MDK默认使用的编译器。目前主要有两个版本:

ARMCC v5(基于ARM编译器5)

  • 这是传统的ARMCC编译器
  • 代码生成质量高,特别是对ARM架构的优化非常出色
  • 但是,ARM公司已经宣布ARMCC v5进入维护模式,不再添加新特性
  • 编译速度相对较慢

ARMCC v6(基于LLVM)

  • ARM公司新一代编译器,基于LLVM/Clang架构
  • 支持C++14/C++17等新标准
  • 编译速度有明显提升
  • 代码生成质量接近v5

ARMCC的优势在于:

  • 对ARM指令集的优化非常深入
  • 生成的代码通常比较紧凑,执行效率高
  • 与ARM的调试工具集成度高

但问题也很明显:

  • 商业软件,需要授权费用
  • 只能在Keil或DS-5等ARM官方IDE中使用
  • 开源生态相对封闭

1.2 ARM-GCC(GNU ARM Embedded Toolchain)

ARM-GCC是基于GCC的ARM交叉编译工具链,由ARM官方维护并免费提供。这是一个完全开源的解决方案。

主要特点:

  • 完全免费,无需任何授权
  • 跨平台支持Windows/Linux/macOS
  • 社区活跃,文档丰富
  • 支持所有主流ARM Cortex内核
  • 可以配合任意IDE或文本编辑器使用

工具链组成:

复制代码 
arm-none-eabi-gcc      # C编译器
arm-none-eabi-g++      # C++编译器
arm-none-eabi-as       # 汇编器
arm-none-eabi-ld       # 链接器
arm-none-eabi-objcopy  # 目标文件转换工具
arm-none-eabi-objdump  # 反汇编工具
arm-none-eabi-size     # 代码大小分析工具
arm-none-eabi-gdb      # 调试器

1.3 编译器对比实测

我曾经用同一个STM32F4项目分别用ARMCC和ARM-GCC编译,结果如下:

编译器 代码大小(KB) 编译时间(s) RAM使用(KB)
ARMCC v5 42.3 8.7 18.5
ARM-GCC 10.3 44.1 6.2 18.7

可以看出,ARMCC在代码体积上略有优势,但ARM-GCC的编译速度更快。对于大多数应用场景,这点差异基本可以忽略。

二、为什么选择VSCode + ARM-GCC方案

经过实际使用,我总结了以下几个核心优势:

2.1 开发体验的飞跃

VSCode的代码编辑体验远超Keil:

  • 智能代码补全,支持基于上下文的提示
  • 强大的多光标编辑功能
  • Git集成,可视化diff和merge
  • 丰富的插件生态
  • 可定制的主题和快捷键

2.2 成本优势

Keil MDK的专业版授权费用在几千到上万元不等,而ARM-GCC + VSCode完全免费。对于个人开发者、学生或小团队来说,这是个巨大优势。

2.3 跨平台开发

VSCode + ARM-GCC可以在Windows、Linux、macOS上无缝切换。我的台式机是Windows,笔记本是Ubuntu,配置文件同步后可以在两台机器上交替开发,非常方便。

2.4 自动化和CI/CD

基于Makefile的构建系统可以很容易地集成到CI/CD流程中。我现在用Jenkins自动构建固件,每次提交代码后自动编译并生成hex文件,大大提高了效率。

三、开发环境搭建详解

3.1 安装ARM-GCC工具链

Windows平台:

  1. 访问ARM官网下载页面:

    https://developer.arm.com/tools-and-software/open-source-software/developer-tools/gnu-toolchain/gnu-rm/downloads

  2. 下载最新版本(我用的是10.3-2021.10版本),安装过程中注意勾选"Add path to environment variable"

  3. 验证安装:

bash 复制代码 
arm-none-eabi-gcc --version

输出类似:

复制代码 
arm-none-eabi-gcc (GNU Arm Embedded Toolchain 10.3-2021.10) 10.3.1 20210824 (release)
Copyright (C) 2020 Free Software Foundation, Inc.

Linux平台:

Ubuntu可以直接用apt安装:

bash 复制代码 
sudo apt-get update
sudo apt-get install gcc-arm-none-eabi binutils-arm-none-eabi

或者下载官方编译好的版本:

bash 复制代码 
cd ~/Downloads
wget https://developer.arm.com/-/media/Files/downloads/gnu-rm/10.3-2021.10/gcc-arm-none-eabi-10.3-2021.10-x86_64-linux.tar.bz2
tar -xjf gcc-arm-none-eabi-10.3-2021.10-x86_64-linux.tar.bz2
sudo mv gcc-arm-none-eabi-10.3-2021.10 /opt/
echo 'export PATH=$PATH:/opt/gcc-arm-none-eabi-10.3-2021.10/bin' >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

3.2 安装Make工具

Windows:

推荐使用MinGW或直接下载GNU Make for Windows:

bash 复制代码 
# 使用chocolatey安装
choco install make

# 或下载安装包
# http://gnuwin32.sourceforge.net/packages/make.htm

Linux:

bash 复制代码 
sudo apt-get install build-essential

3.3 安装OpenOCD调试工具

OpenOCD是一个开源的片上调试工具,支持几乎所有主流的调试器(ST-Link、J-Link等)。

Windows:

下载预编译版本:

https://gnutoolchains.com/arm-eabi/openocd/

解压后添加到系统路径。

Linux:

bash 复制代码 
sudo apt-get install openocd

验证:

bash 复制代码 
openocd --version

3.4 配置VSCode

安装以下插件:

  1. C/C++ (Microsoft) - 必装
  2. Cortex-Debug - ARM调试必备
  3. Makefile Tools - Makefile支持
  4. LinkerScript - 链接脚本语法高亮
  5. Arm Assembly - 汇编语言支持

我的个人推荐还包括:

  • GitLens - 增强的Git功能
  • Better Comments - 彩色注释
  • Bracket Pair Colorizer 2 - 括号配对

四、从零搭建STM32工程

这里以STM32F103C8T6为例,详细演示整个工程的搭建过程。

4.1 工程目录结构

复制代码 
STM32F103_Project/
├── Core/
│   ├── Inc/                    # 头文件
│   │   ├── main.h
│   │   ├── stm32f1xx_hal_conf.h
│   │   └── stm32f1xx_it.h
│   ├── Src/                    # 源文件
│   │   ├── main.c
│   │   ├── stm32f1xx_hal_msp.c
│   │   ├── stm32f1xx_it.c
│   │   └── system_stm32f1xx.c
│   └── Startup/
│       └── startup_stm32f103xb.s
├── Drivers/
│   ├── STM32F1xx_HAL_Driver/   # HAL库
│   └── CMSIS/                  # CMSIS库
├── Middlewares/                # 中间件(可选)
├── Build/                      # 编译输出目录
├── .vscode/                    # VSCode配置
│   ├── c_cpp_properties.json
│   ├── launch.json
│   ├── settings.json
│   └── tasks.json
├── STM32F103C8Tx_FLASH.ld     # 链接脚本
└── Makefile

4.2 获取HAL库和CMSIS

可以从ST官网下载STM32CubeMX,然后生成一个基础工程,把HAL库和CMSIS文件夹复制出来。或者直接从GitHub克隆:

bash 复制代码 
git clone https://github.com/STMicroelectronics/STM32CubeF1.git

4.3 编写Makefile

这是整个工程的核心,一个完整的Makefile示例:

makefile 复制代码 
######################################
# target
######################################
TARGET = STM32F103_Demo

######################################
# building variables
######################################
# debug build?
DEBUG = 1
# optimization
OPT = -Og

#######################################
# paths
#######################################
# Build path
BUILD_DIR = Build

######################################
# source
######################################
# C sources
C_SOURCES =  \
Core/Src/main.c \
Core/Src/stm32f1xx_it.c \
Core/Src/stm32f1xx_hal_msp.c \
Drivers/STM32F1xx_HAL_Driver/Src/stm32f1xx_hal_gpio_ex.c \
Drivers/STM32F1xx_HAL_Driver/Src/stm32f1xx_hal_tim.c \
Drivers/STM32F1xx_HAL_Driver/Src/stm32f1xx_hal_tim_ex.c \
Drivers/STM32F1xx_HAL_Driver/Src/stm32f1xx_hal.c \
Drivers/STM32F1xx_HAL_Driver/Src/stm32f1xx_hal_rcc.c \
Drivers/STM32F1xx_HAL_Driver/Src/stm32f1xx_hal_rcc_ex.c \
Drivers/STM32F1xx_HAL_Driver/Src/stm32f1xx_hal_gpio.c \
Drivers/STM32F1xx_HAL_Driver/Src/stm32f1xx_hal_dma.c \
Drivers/STM32F1xx_HAL_Driver/Src/stm32f1xx_hal_cortex.c \
Drivers/STM32F1xx_HAL_Driver/Src/stm32f1xx_hal_pwr.c \
Drivers/STM32F1xx_HAL_Driver/Src/stm32f1xx_hal_flash.c \
Drivers/STM32F1xx_HAL_Driver/Src/stm32f1xx_hal_flash_ex.c \
Core/Src/system_stm32f1xx.c

# ASM sources
ASM_SOURCES =  \
Core/Startup/startup_stm32f103xb.s

#######################################
# binaries
#######################################
PREFIX = arm-none-eabi-
# 如果工具链不在系统路径中,可以指定完整路径
# BINPATH = /opt/gcc-arm-none-eabi-10.3-2021.10/bin
ifdef BINPATH
CC = $(BINPATH)/$(PREFIX)gcc
AS = $(BINPATH)/$(PREFIX)gcc -x assembler-with-cpp
CP = $(BINPATH)/$(PREFIX)objcopy
SZ = $(BINPATH)/$(PREFIX)size
else
CC = $(PREFIX)gcc
AS = $(PREFIX)gcc -x assembler-with-cpp
CP = $(PREFIX)objcopy
SZ = $(PREFIX)size
endif
HEX = $(CP) -O ihex
BIN = $(CP) -O binary -S
 
#######################################
# CFLAGS
#######################################
# cpu
CPU = -mcpu=cortex-m3

# fpu
# NONE for Cortex-M0/M0+/M3

# float-abi

# mcu
MCU = $(CPU) -mthumb $(FPU) $(FLOAT-ABI)

# macros for gcc
# AS defines
AS_DEFS = 

# C defines
C_DEFS =  \
-DUSE_HAL_DRIVER \
-DSTM32F103xB

# AS includes
AS_INCLUDES = 

# C includes
C_INCLUDES =  \
-ICore/Inc \
-IDrivers/STM32F1xx_HAL_Driver/Inc \
-IDrivers/STM32F1xx_HAL_Driver/Inc/Legacy \
-IDrivers/CMSIS/Device/ST/STM32F1xx/Include \
-IDrivers/CMSIS/Include

# compile gcc flags
ASFLAGS = $(MCU) $(AS_DEFS) $(AS_INCLUDES) $(OPT) -Wall -fdata-sections -ffunction-sections

CFLAGS = $(MCU) $(C_DEFS) $(C_INCLUDES) $(OPT) -Wall -fdata-sections -ffunction-sections

ifeq ($(DEBUG), 1)
CFLAGS += -g -gdwarf-2
endif

# Generate dependency information
CFLAGS += -MMD -MP -MF"$(@:%.o=%.d)"

#######################################
# LDFLAGS
#######################################
# link script
LDSCRIPT = STM32F103C8Tx_FLASH.ld

# libraries
LIBS = -lc -lm -lnosys 
LIBDIR = 
LDFLAGS = $(MCU) -specs=nano.specs -T$(LDSCRIPT) $(LIBDIR) $(LIBS) -Wl,-Map=$(BUILD_DIR)/$(TARGET).map,--cref -Wl,--gc-sections

# default action: build all
all: $(BUILD_DIR)/$(TARGET).elf $(BUILD_DIR)/$(TARGET).hex $(BUILD_DIR)/$(TARGET).bin

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

$(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 $@

$(BUILD_DIR)/$(TARGET).elf: $(OBJECTS) Makefile
	$(CC) $(OBJECTS) $(LDFLAGS) -o $@
	$(SZ) $@

$(BUILD_DIR)/%.hex: $(BUILD_DIR)/%.elf | $(BUILD_DIR)
	$(HEX) $< $@
	
$(BUILD_DIR)/%.bin: $(BUILD_DIR)/%.elf | $(BUILD_DIR)
	$(BIN) $< $@	
	
$(BUILD_DIR):
	mkdir $@		

#######################################
# clean up
#######################################
clean:
	-rm -fR $(BUILD_DIR)
  
#######################################
# dependencies
#######################################
-include $(wildcard $(BUILD_DIR)/*.d)

# *** EOF ***

这个Makefile的几个关键点:

  1. 模块化设计: 源文件、编译选项、链接选项分离,便于维护
  2. 依赖关系生成 : 使用-MMD -MP自动生成依赖文件,修改头文件后会自动重新编译相关源文件
  3. 优化选项 : -Og在调试时既保证优化又不影响调试体验
  4. 代码裁剪 : -ffunction-sections -fdata-sections配合--gc-sections可以去除未使用的代码,减小固件大小

4.4 链接脚本详解

链接脚本(Linker Script)定义了程序在内存中的布局。STM32F103C8T6的Flash是64KB,RAM是20KB,对应的链接脚本:

ld 复制代码 
/* Entry Point */
ENTRY(Reset_Handler)

/* Highest address of the user mode stack */
_estack = 0x20005000;    /* end of RAM */
/* Generate a link error if heap and stack don't fit into RAM */
_Min_Heap_Size = 0x200;      /* required amount of heap  */
_Min_Stack_Size = 0x400; /* required amount of stack */

/* Specify the memory areas */
MEMORY
{
RAM (xrw)      : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 20K
FLASH (rx)      : ORIGIN = 0x8000000, LENGTH = 64K
}

/* Define output sections */
SECTIONS
{
  /* The startup code goes first into FLASH */
  .isr_vector :
  {
    . = ALIGN(4);
    KEEP(*(.isr_vector)) /* Startup code */
    . = ALIGN(4);
  } >FLASH

  /* The program code and other data goes into FLASH */
  .text :
  {
    . = ALIGN(4);
    *(.text)           /* .text sections (code) */
    *(.text*)          /* .text* sections (code) */
    *(.glue_7)         /* glue arm to thumb code */
    *(.glue_7t)        /* glue thumb to arm code */
    *(.eh_frame)

    KEEP (*(.init))
    KEEP (*(.fini))

    . = ALIGN(4);
    _etext = .;        /* define a global symbols at end of code */
  } >FLASH

  /* Constant data goes into FLASH */
  .rodata :
  {
    . = ALIGN(4);
    *(.rodata)         /* .rodata sections (constants, strings, etc.) */
    *(.rodata*)        /* .rodata* sections (constants, strings, etc.) */
    . = ALIGN(4);
  } >FLASH

  .ARM.extab   : { *(.ARM.extab* .gnu.linkonce.armextab.*) } >FLASH
  .ARM : {
    __exidx_start = .;
    *(.ARM.exidx*)
    __exidx_end = .;
  } >FLASH

  .preinit_array     :
  {
    PROVIDE_HIDDEN (__preinit_array_start = .);
    KEEP (*(.preinit_array*))
    PROVIDE_HIDDEN (__preinit_array_end = .);
  } >FLASH
  
  .init_array :
  {
    PROVIDE_HIDDEN (__init_array_start = .);
    KEEP (*(SORT(.init_array.*)))
    KEEP (*(.init_array*))
    PROVIDE_HIDDEN (__init_array_end = .);
  } >FLASH
  
  .fini_array :
  {
    PROVIDE_HIDDEN (__fini_array_start = .);
    KEEP (*(SORT(.fini_array.*)))
    KEEP (*(.fini_array*))
    PROVIDE_HIDDEN (__fini_array_end = .);
  } >FLASH

  /* used by the startup to initialize data */
  _sidata = LOADADDR(.data);

  /* Initialized data sections goes into RAM, load LMA copy after code */
  .data : 
  {
    . = ALIGN(4);
    _sdata = .;        /* create a global symbol at data start */
    *(.data)           /* .data sections */
    *(.data*)          /* .data* sections */

    . = ALIGN(4);
    _edata = .;        /* define a global symbol at data end */
  } >RAM AT> FLASH

  /* Uninitialized data section */
  . = ALIGN(4);
  .bss :
  {
    _sbss = .;         /* define a global symbol at bss start */
    __bss_start__ = _sbss;
    *(.bss)
    *(.bss*)
    *(COMMON)

    . = ALIGN(4);
    _ebss = .;         /* define a global symbol at bss end */
    __bss_end__ = _ebss;
  } >RAM

  /* User_heap_stack section, used to check that there is enough RAM left */
  ._user_heap_stack :
  {
    . = ALIGN(8);
    PROVIDE ( end = . );
    PROVIDE ( _end = . );
    . = . + _Min_Heap_Size;
    . = . + _Min_Stack_Size;
    . = ALIGN(8);
  } >RAM

  /* Remove information from the standard libraries */
  /DISCARD/ :
  {
    libc.a ( * )
    libm.a ( * )
    libgcc.a ( * )
  }

  .ARM.attributes 0 : { *(.ARM.attributes) }
}

关键点说明:

  1. 内存区域定义: STM32F103C8的Flash起始地址0x08000000,RAM起始地址0x20000000
  2. 段的布局 :
    • .isr_vector: 中断向量表,必须放在Flash开始位置
    • .text: 代码段
    • .rodata: 只读数据(常量、字符串等)
    • .data: 初始化的全局变量(需要从Flash复制到RAM)
    • .bss: 未初始化的全局变量
  3. 栈和堆 : _estack定义栈顶,_Min_Heap_Size和_Min_Stack_Size定义最小堆栈大小

4.5 VSCode配置文件

c_cpp_properties.json

这个文件配置IntelliSense,让代码提示和跳转正常工作:

json 复制代码 
{
    "configurations": [
        {
            "name": "STM32",
            "includePath": [
                "${workspaceFolder}/**",
                "${workspaceFolder}/Core/Inc",
                "${workspaceFolder}/Drivers/STM32F1xx_HAL_Driver/Inc",
                "${workspaceFolder}/Drivers/STM32F1xx_HAL_Driver/Inc/Legacy",
                "${workspaceFolder}/Drivers/CMSIS/Device/ST/STM32F1xx/Include",
                "${workspaceFolder}/Drivers/CMSIS/Include"
            ],
            "defines": [
                "USE_HAL_DRIVER",
                "STM32F103xB"
            ],
            "compilerPath": "C:/Program Files (x86)/GNU Arm Embedded Toolchain/10 2021.10/bin/arm-none-eabi-gcc.exe",
            "cStandard": "c11",
            "cppStandard": "c++17",
            "intelliSenseMode": "gcc-arm",
            "compilerArgs": [
                "-mcpu=cortex-m3",
                "-mthumb",
                "-specs=nano.specs"
            ]
        }
    ],
    "version": 4
}

tasks.json

定义编译任务:

json 复制代码 
{
    "version": "2.0.0",
    "tasks": [
        {
            "label": "Build STM32",
            "type": "shell",
            "command": "make",
            "args": [
                "-j8"
            ],
            "group": {
                "kind": "build",
                "isDefault": true
            },
            "problemMatcher": [
                "$gcc"
            ],
            "presentation": {
                "reveal": "always",
                "panel": "new"
            }
        },
        {
            "label": "Clean",
            "type": "shell",
            "command": "make",
            "args": [
                "clean"
            ],
            "problemMatcher": []
        },
        {
            "label": "Flash",
            "type": "shell",
            "command": "openocd",
            "args": [
                "-f", "interface/stlink.cfg",
                "-f", "target/stm32f1x.cfg",
                "-c", "program Build/STM32F103_Demo.elf verify reset exit"
            ],
            "dependsOn": "Build STM32",
            "problemMatcher": []
        }
    ]
}

launch.json

配置调试:

json 复制代码 
{
    "version": "0.2.0",
    "configurations": [
        {
            "name": "Cortex Debug",
            "cwd": "${workspaceFolder}",
            "executable": "./Build/STM32F103_Demo.elf",
            "request": "launch",
            "type": "cortex-debug",
            "runToEntryPoint": "main",
            "servertype": "openocd",
            "device": "STM32F103C8",
            "configFiles": [
                "interface/stlink.cfg",
                "target/stm32f1x.cfg"
            ],
            "svdFile": "${workspaceFolder}/STM32F103.svd",
            "preLaunchTask": "Build STM32"
        }
    ]
}

4.6 实战示例:LED闪烁程序

main.c

c 复制代码 
#include "main.h"

/* Private variables */
TIM_HandleTypeDef htim2;

/* Private function prototypes */
void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_TIM2_Init(void);

int main(void)
{
    /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
    HAL_Init();

    /* Configure the system clock */
    SystemClock_Config();

    /* Initialize all configured peripherals */
    MX_GPIO_Init();
    MX_TIM2_Init();

    /* Start timer */
    HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);

    /* Infinite loop */
    while (1)
    {
        // 主循环可以做其他事情
        HAL_Delay(1000);
    }
}

/**
  * @brief System Clock Configuration
  * @retval None
  */
void SystemClock_Config(void)
{
    RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
    RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

    /** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
    * in the RCC_OscInitTypeDef structure.
    */
    RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
    RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
    RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
    RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;
    if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

    /** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks
    */
    RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                                |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
    RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
    RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
    RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
    RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

    if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
}

/**
  * @brief TIM2 Initialization Function
  * @param None
  * @retval None
  */
static void MX_TIM2_Init(void)
{
    TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
    TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};

    htim2.Instance = TIM2;
    htim2.Init.Prescaler = 7200 - 1;  // 72MHz / 7200 = 10kHz
    htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim2.Init.Period = 5000 - 1;     // 10kHz / 5000 = 2Hz (500ms)
    htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    htim2.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
    if (HAL_TIM_Base_Init(&htim2) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
    sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
    if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim2, &sClockSourceConfig) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
    sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
    sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
    if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim2, &sMasterConfig) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
}

/**
  * @brief GPIO Initialization Function
  * @param None
  * @retval None
  */
static void MX_GPIO_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    /* GPIO Ports Clock Enable */
    __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();

    /* Configure GPIO pin Output Level */
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);

    /* Configure GPIO pin : PC13 (LED) */
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_13;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);
}

/**
  * @brief  Period elapsed callback in non blocking mode
  * @note   This function is called  when TIM2 interrupt took place, inside
  * HAL_TIM_IRQHandler(). It makes a direct call to HAL_IncTick() to increment
  * a global variable "uwTick" used as application time base.
  * @param  htim : TIM handle
  * @retval None
  */
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    if (htim->Instance == TIM2)
    {
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
    }
}

/**
  * @brief  This function is executed in case of error occurrence.
  * @retval None
  */
void Error_Handler(void)
{
    __disable_irq();
    while (1)
    {
    }
}

#ifdef  USE_FULL_ASSERT
/**
  * @brief  Reports the name of the source file and the source line number
  *         where the assert_param error has occurred.
  * @param  file: pointer to the source file name
  * @param  line: assert_param error line source number
  * @retval None
  */
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{
    /* User can add his own implementation to report the file name and line number,
       ex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */

stm32f1xx_it.c

中断服务函数:

c 复制代码 
#include "main.h"
#include "stm32f1xx_it.h"

extern TIM_HandleTypeDef htim2;

/**
  * @brief This function handles Non maskable interrupt.
  */
void NMI_Handler(void)
{
}

/**
  * @brief This function handles Hard fault interrupt.
  */
void HardFault_Handler(void)
{
    while (1)
    {
    }
}

/**
  * @brief This function handles Memory management fault.
  */
void MemManage_Handler(void)
{
    while (1)
    {
    }
}

/**
  * @brief This function handles Prefetch fault, memory access fault.
  */
void BusFault_Handler(void)
{
    while (1)
    {
    }
}

/**
  * @brief This function handles Undefined instruction or illegal state.
  */
void UsageFault_Handler(void)
{
    while (1)
    {
    }
}

/**
  * @brief This function handles System service call via SWI instruction.
  */
void SVC_Handler(void)
{
}

/**
  * @brief This function handles Debug monitor.
  */
void DebugMon_Handler(void)
{
}

/**
  * @brief This function handles Pendable request for system service.
  */
void PendSV_Handler(void)
{
}

/**
  * @brief This function handles System tick timer.
  */
void SysTick_Handler(void)
{
    HAL_IncTick();
}

/**
  * @brief This function handles TIM2 global interrupt.
  */
void TIM2_IRQHandler(void)
{
    HAL_TIM_IRQHandler(&htim2);
}

五、编译和下载

5.1 编译项目

在VSCode中按Ctrl+Shift+B或在终端执行:

bash 复制代码 
make -j8

编译成功后会看到:

复制代码 
arm-none-eabi-gcc Build/main.o Build/stm32f1xx_it.o Build/stm32f1xx_hal_msp.o ... -o Build/STM32F103_Demo.elf
arm-none-eabi-size Build/STM32F103_Demo.elf
   text    data     bss     dec     hex filename
  12456     108    1640   14204    377c Build/STM32F103_Demo.elf
arm-none-eabi-objcopy -O ihex Build/STM32F103_Demo.elf Build/STM32F103_Demo.hex
arm-none-eabi-objcopy -O binary -S Build/STM32F103_Demo.elf Build/STM32F103_Demo.bin

5.2 下载程序

使用ST-Link下载:

bash 复制代码 
openocd -f interface/stlink.cfg -f target/stm32f1x.cfg -c "program Build/STM32F103_Demo.elf verify reset exit"

或者配置好tasks.json后,直接运行Flash任务。

5.3 在线调试

按F5启动调试,Cortex-Debug插件会自动:

  1. 编译项目
  2. 启动OpenOCD
  3. 连接目标板
  4. 下载程序
  5. 运行到main函数

调试界面可以:

  • 查看寄存器值(通过SVD文件解析)
  • 查看外设状态
  • 设置断点
  • 单步执行
  • 查看变量
  • 查看内存

六、高级技巧

6.1 多配置编译

在实际项目中,经常需要编译不同的配置版本(Debug/Release)。可以这样改造Makefile:

makefile 复制代码 
# 在命令行指定配置
# make BUILD=Debug
# make BUILD=Release

BUILD ?= Debug

ifeq ($(BUILD), Debug)
    OPT = -Og
    C_DEFS += -DDEBUG
    CFLAGS += -g -gdwarf-2
else
    OPT = -O2
    LDFLAGS += -s  # strip symbols
endif

6.2 自动生成编译数据库

为了让clangd等工具更好地工作,可以生成compile_commands.json:

bash 复制代码 
# 安装bear工具
sudo apt-get install bear

# 生成编译数据库
bear -- make clean all

6.3 代码大小优化

几个实用的优化技巧:

  1. 启用LTO(Link Time Optimization):
makefile 复制代码 
CFLAGS += -flto
LDFLAGS += -flto
  1. 使用newlib-nano:
makefile 复制代码 
LDFLAGS += -specs=nano.specs
  1. 优化浮点运算:
makefile 复制代码 
# 如果确实不需要完整的printf浮点支持
LDFLAGS += -u _printf_float
  1. 分析代码大小:
bash 复制代码 
arm-none-eabi-nm --size-sort -S Build/STM32F103_Demo.elf

6.4 集成FreeRTOS

添加FreeRTOS源文件到Makefile:

makefile 复制代码 
C_SOURCES += \
Middlewares/Third_Party/FreeRTOS/Source/croutine.c \
Middlewares/Third_Party/FreeRTOS/Source/event_groups.c \
Middlewares/Third_Party/FreeRTOS/Source/list.c \
Middlewares/Third_Party/FreeRTOS/Source/queue.c \
Middlewares/Third_Party/FreeRTOS/Source/stream_buffer.c \
Middlewares/Third_Party/FreeRTOS/Source/tasks.c \
Middlewares/Third_Party/FreeRTOS/Source/timers.c \
Middlewares/Third_Party/FreeRTOS/Source/portable/GCC/ARM_CM3/port.c \
Middlewares/Third_Party/FreeRTOS/Source/portable/MemMang/heap_4.c

C_INCLUDES += \
-IMiddlewares/Third_Party/FreeRTOS/Source/include \
-IMiddlewares/Third_Party/FreeRTOS/Source/portable/GCC/ARM_CM3

七、常见问题排查

7.1 编译错误

问题 : undefined reference to '__libc_init_array'

解决 : 检查启动文件是否正确添加,确保链接脚本中包含.preinit_array和.init_array段

问题 : section .data will not fit in region RAM

解决: 全局变量太多导致RAM溢出,检查是否有大数组定义,考虑使用动态分配或将部分数据放到Flash

7.2 下载问题

问题: OpenOCD连接失败

解决:

bash 复制代码 
# 检查ST-Link驱动
# Windows需要安装官方驱动或用Zadig安装WinUSB驱动
# Linux需要添加udev规则

# /etc/udev/rules.d/49-stlinkv2.rules
SUBSYSTEMS=="usb", ATTRS{idVendor}=="0483", ATTRS{idProduct}=="3748", MODE:="0666"

7.3 调试问题

问题: 断点无法命中

解决 : 检查优化等级,-O2以上优化可能导致代码被优化掉。调试时使用-Og

问题 : 变量显示<optimized out>

解决 : 降低优化等级或使用volatile关键字

八、性能对比

我用一个实际的STM32F407项目测试了Keil和VSCode两种开发方式:

对比项 Keil MDK VSCode + ARM-GCC
全量编译时间 18.3秒 12.7秒
增量编译时间 2.1秒 1.6秒
代码跳转响应 0.5秒 0.1秒
代码提示延迟 明显 几乎无感知
内存占用 450MB 280MB
固件大小 156KB 162KB

九、总结

经过几个月的实践,我已经完全习惯了VSCode + ARM-GCC的开发方式。虽然初期搭建环境需要花点时间,但后续的开发效率提升是显而易见的。

这套方案特别适合:

  • 个人开发者和学生(零成本)
  • 需要跨平台开发的团队
  • 习惯使用Git的开发者
  • 需要集成CI/CD的项目
  • 追求现代化开发体验的工程师

不适合的场景:

  • 公司已经购买了Keil授权
  • 团队成员不熟悉命令行工具
  • 项目严重依赖Keil特有功能

最后分享一个小经验:刚开始迁移时不要一次性把所有项目都转过来,可以先用一个小项目练手,熟悉整个流程后再逐步迁移大项目。遇到问题多查文档,ARM-GCC和OpenOCD的社区都很活跃,基本上遇到的问题都能找到解决方案。

文中的完整工程文件我已经上传到GitHub,有需要的朋友可以直接clone下来参考。有问题欢迎在评论区交流!

参考资料:

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