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CMake+Ninja+arm-none-eabi-gcc+OpenOCD+VScode+AI在Windows系统下代替keil进行stm32程序的编译和调试

网友: 技术文档 2025-08-08 08:29:20

1. 背景

  • keil虽然具备完备的代码编辑、编译、调试功能，且很多开发资料都是以keil为基础建立的工程。但是keil是付费软件，在企业使用就会吃律师函（我们公司最近就是）。
  • VScode界面美观，配合AI进行代码提示和自动补全，再加上git等多种扩展插件，简直不要太香。

2. 开发环境安装

  • 进行嵌入式开发，总体上有三个步骤：编写（VScode+AI）、编译（CMake+Ninja+arm-none-eabi-gcc）、调试（OpenOCD+STlink/JLINK）
  • 在keil环境下，我们只需编写好代码，然后一键编译即可。CMake+Ninja+arm-none-eabi-gccg各司其职，实现C语言代码编译为单片机的HEX文件。总体过程为：Cmake是抽象的方便人类理解的“编译过程管理指挥官”，可以类比为keil中“魔术棒”选项卡里的各种设置，实现.c文件的添加、.h路径的包含设置、优化等级、宏定义等。Ninja与make工具通过makefile工作一样，ninja通过build.ninja文件进行指定编译顺序及路径。程序员可以直接编写build.ninja文件，但目前一般是通过更上层的工具如Cmake自动生成该文件了。CMake定义\"做什么\"（编译选项、文件依赖），Ninja负责\"如何做\"（高效执行命令），真正“干活”实现编译链接的是arm-none-eabi-gcc
  • arm-none-eabi-gcc：交叉编译器
    作用：将C/C++源码编译为目标单片机（ARM架构）的机器码。
    交叉编译：在x86 Windows主机上生成ARM架构的二进制文件（如.o目标文件）。
    全套工具链：包含编译器（gcc）、汇编器（as）、链接器（ld）、二进制工具（objcopy, objdump）。
    生成ELF文件：编译链接后输出.elf文件（包含机器码、调试信息、内存布局）。
  • CMake：构建系统生成器
    作用：管理构建流程（编译、链接、依赖），屏蔽平台差异。
    跨平台配置：用统一的CMakeLists.txt文件定义项目结构、编译器选项、依赖关系。
    生成构建脚本：根据平台生成底层构建文件（如为Ninja生成build.ninja）。
    控制编译流程：指定交叉编译器、单片机参数（CPU型号、内存布局、启动文件等）
  • Ninja：构建引擎
    作用：高效执行构建任务（调用编译器、链接器等）。
    关键优势：
    极速构建：比传统make更快（并行任务优化、低开销）。
    最小化重建：精准追踪文件依赖，仅重新编译必要文件。
    自动化驱动：由CMake生成的build.ninja脚本驱动，无需手动干预。
    工作流程：
    CMake生成build.ninja（包含编译命令、依赖关系）。
    运行ninja命令，自动调用arm-none-eabi-gcc编译源码、链接ELF。
    执行objcopy生成HEX（通过CMake定义的POST_BUILD规则）
  • 为什么需要三者配合？
    arm-none-eabi-gcc必需：只有它理解ARM指令集，能生成单片机可执行的机器码。
    CMake高效管理：简化多平台构建配置，避免手写复杂的Makefile/Ninja脚本。
    Ninja加速构建：比传统Make更快，尤其适合大型项目频繁重建。
    替代方案举例：
    可用Makefile替代CMake+Ninja（但手写Makefile更复杂）。
    可用IDE（如STM32CubeIDE） 内置工具链（底层仍是GCC+objcopy，但隐藏了配置细节）。
    CMake+Ninja+arm-none-eabi-gcc+OpenOCD+VScode+AI在Windows系统下代替keil进行stm32程序的编译和调试

1.VScode安装

https://code.visualstudio.com/Download
在官网选择与自己电脑相适应的版本即可。
CMake+Ninja+arm-none-eabi-gcc+OpenOCD+VScode+AI在Windows系统下代替keil进行stm32程序的编译和调试

这里我选择了Windows系统下的64位版本。按照提示一步步安装即可。
CMake+Ninja+arm-none-eabi-gcc+OpenOCD+VScode+AI在Windows系统下代替keil进行stm32程序的编译和调试
这里建议全部勾选。
安装VScode扩展：
1.C/C++：用于C/C++ IntelliSense, debugging, and code browsing
2.CMake Language Support
3.CMake Tools
4.Cortex-Debug：ARM Cortex-M GDB Debugger support for VSCode
5.GitHub Copilot：AI代码提示和补全
6.文心快码 ( Baidu Comate )：AI代码提示和补全

2.编译工具链下载

  • 方式1：https://www.st.com.cn/zh/development-tools/stm32cubeclt.html?icmp=tt38569_gl_lnkon_apr2024
    ST官网上有集成好的工具链，下载安装好后其实就是一堆工具的集合，省的到处去找了
    CMake+Ninja+arm-none-eabi-gcc+OpenOCD+VScode+AI在Windows系统下代替keil进行stm32程序的编译和调试
    选择工具链要放置的路径CMake+Ninja+arm-none-eabi-gcc+OpenOCD+VScode+AI在Windows系统下代替keil进行stm32程序的编译和调试
    CMake+Ninja+arm-none-eabi-gcc+OpenOCD+VScode+AI在Windows系统下代替keil进行stm32程序的编译和调试
    可以看到，基本上进行STM32开发的工具全在了。
    将CMake、Ninja、arm-none-eabi-gcc工具的路径添加到系统环境变量
    CMake+Ninja+arm-none-eabi-gcc+OpenOCD+VScode+AI在Windows系统下代替keil进行stm32程序的编译和调试
  • 方式2：各个工具去官网下载，解压并将路径添加到系统环境变量中
    CMake：https://cmake.org/download/
    Ninja：https://github.com/ninja-build/ninja/releases
    arm-none-eabi-gcc：https://developer.arm.com/downloads/-/arm-gnu-toolchain-downloads
3. Openocd调试工具

OpenOCD（Open On-Chip Debugger）是一款功能强大的开源调试工具，专为嵌入式系统开发设计，支持多种处理器架构和调试接口。以下是其核心要点解析：
调试功能：支持设置断点、单步执行代码、查看寄存器/内存状态、监视变量变化，帮助开发者定位代码问题。
编程功能：可将编译后的固件（如HEX/BIN文件）烧录到目标设备的闪存（Flash）中，支持NOR/NAND Flash及外部存储器
边界扫描：用于硬件验证和电路板测试（如检测焊点故障）。
兼容 JTAG、SWD（Serial Wire Debug） 和 cJTAG 等调试协议。
适配多种调试器硬件，如ST-Link、J-Link、FTDI芯片（如FT2232H）、CMSIS-DAP等。
支持Windows、Linux、macOS系统，可与GDB（GNU Debugger）无缝集成，通过GDB服务器（默认端口3333）实现源码级调试。
提供Telnet接口（默认端口4444）执行底层命令（如内存读写、复位控制）。
下载：https://gnutoolchains.com/arm-eabi/openocd/
同样的Openocd工具的路径也需要添加到环境变量中，例如：F:\\OpenOCD-20250613-0.12.0\\bin

3. 实战使用案例

1. STM32CubeMx生成工程

CMake+Ninja+arm-none-eabi-gcc+OpenOCD+VScode+AI在Windows系统下代替keil进行stm32程序的编译和调试
工具链选择Cmake，自动生成初始化代码和Cmake工程
CMake+Ninja+arm-none-eabi-gcc+OpenOCD+VScode+AI在Windows系统下代替keil进行stm32程序的编译和调试

2. VScode配置
  • Cmake配置
    CubeMx自动生成的Cmake文件中预设了Debug和Release两种模式。CMake默认支持四种模式，四种编译模式是-O优化等级和-g调试信息的区别，用户可以根据自己需要进行选择和改写
    CMake+Ninja+arm-none-eabi-gcc+OpenOCD+VScode+AI在Windows系统下代替keil进行stm32程序的编译和调试

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CMake+Ninja+arm-none-eabi-gcc+OpenOCD+VScode+AI在Windows系统下代替keil进行stm32程序的编译和调试
根据实际需求，添加所需的.c和.h路径
CMake+Ninja+arm-none-eabi-gcc+OpenOCD+VScode+AI在Windows系统下代替keil进行stm32程序的编译和调试
CubeMx自动生成的Cmake文件不会生成常用的hex文件，这里需要我们手动添加
CMake+Ninja+arm-none-eabi-gcc+OpenOCD+VScode+AI在Windows系统下代替keil进行stm32程序的编译和调试

# 添加自定义命令生成 BIN/HEX/SREC 文件add_custom_target(generate_outputs ALL COMMENT \"Generating binary output files...\" COMMAND ${CMAKE_OBJCOPY} -O binary $ ${CMAKE_PROJECT_NAME}.bin COMMAND ${CMAKE_OBJCOPY} -O ihex $ ${CMAKE_PROJECT_NAME}.hex COMMAND ${CMAKE_OBJCOPY} -O srec $ ${CMAKE_PROJECT_NAME}.srec DEPENDS ${CMAKE_PROJECT_NAME})

修改好后，CMake Tools会自动的帮我们编译生成build.ninja文件，用于“指挥”arm-none-eabi-gcc进行代码编译
CMake+Ninja+arm-none-eabi-gcc+OpenOCD+VScode+AI在Windows系统下代替keil进行stm32程序的编译和调试
到目前为止，我们只是修改了CubeMx自动生产的工程里的Cmake文件，让其能够生成hex文件，可以尝试编译一下看看效果。
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  • C\\C++扩展配置
    打开main.c，会发现一堆报错，这是因为VScode只是编辑器，并不知道各个.c，.h之间的关系，因此需要借助C\\C++扩展辅助进行代码的语法检查等
    在文件夹内新建.vscode文件夹，并新建三个文件
    CMake+Ninja+arm-none-eabi-gcc+OpenOCD+VScode+AI在Windows系统下代替keil进行stm32程序的编译和调试
    c_cpp_properties.json的内容如下：核心其实是告诉C/C++扩展，该工程需要的头文件的路径，编译器的路径以及宏定义
{ \"configurations\": [ {  \"name\": \"STM32\",  \"includePath\": [  \"Core/Inc\",  \"Drivers/STM32F1xx_HAL_Driver/Inc\",  \"Drivers/STM32F1xx_HAL_Driver/Inc/Legacy\",  \"Drivers/CMSIS/Device/ST/STM32F1xx/Include\",  \"Drivers/CMSIS/Include\"  ],  \"defines\": [  \"UNICODE\",  \"USE_HAL_DRIVER\",  \"STM32F103xB\"  ],  \"windowsSdkVersion\": \"8.1\",  \"compilerPath\": \"F:/STM32CubeCLT_1.18.0/GNU-tools-for-STM32/bin/arm-none-eabi-gcc.exe\",  \"intelliSenseMode\": \"windows-gcc-arm\",  \"cStandard\": \"c99\",  \"cppStandard\": \"gnu++17\" } ], \"version\": 4}
  • tasks.json的内容如下：主要定义了两个任务，一个编译，一个通过STlink借助Openocd下载程序
{ \"version\": \"2.0.0\", \"tasks\": [ { \"label\": \"Flash with OpenOCD\", \"type\": \"shell\", \"command\": \"openocd\", \"args\": [ \"-f\", \"openocd.cfg\", \"-c\", \"program build/Debug/${workspaceFolderBasename}.elf verify reset exit\" ], \"problemMatcher\": [] }, { \"type\": \"cmake\", \"label\": \"CMake: build\", \"command\": \"build\", \"targets\": [ \"all\" ], \"preset\": \"${command:cmake.activeBuildPresetName}\", \"group\": \"build\", \"problemMatcher\": [], \"detail\": \"CMake 模板 生成 任务\" } ]}

在工程根目录下，新建openocd.cfg文件，内容为

source [find interface/stlink.cfg]source [find target/stm32f1x.cfg]

用于指向Openocd文件夹中配置好的接口和目标单片机
这里连接好STlink，运行Flash with OpenOCD任务
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运行结果如下，烧录成功。
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  • 在线调试
    为实现该功能，launch.json内容如下：
{ \"version\": \"0.2.0\", \"configurations\": [ {  \"name\": \"Cortex Debug (OpenOCD)\",  \"cwd\": \"${workspaceRoot}\",  \"executable\": \"build/Debug/${workspaceFolderBasename}.elf\",  \"request\": \"launch\",  \"type\": \"cortex-debug\",  \"servertype\": \"openocd\",  \"device\": \"STM32F103C8\",  \"configFiles\": [\"openocd.cfg\"],  \"preLaunchTask\": \"CMake: build\",  \"runToEntryPoint\": \"main\",  \"showDevDebugOutput\": \"raw\",  \"liveWatch\": {  \"enabled\": true,  \"samplesPerSecond\": 4  } } ]}

该文件的目的是将指定的elf文件通过Openocd进行下载并在线调试，且在调试前会自动调用Cmake的build命令进行编译。使用快捷键F5，进入调试模式
CMake+Ninja+arm-none-eabi-gcc+OpenOCD+VScode+AI在Windows系统下代替keil进行stm32程序的编译和调试
至此实现了代码的编译、下载、调试功能

4. 注意事项

  • 与keil设置堆栈不同的是，需要在ld文件中根据改写所需的堆栈空间和程序起始地址。且栈顶地址_estack永远为最大的RAM空间，并不会像keil一样根据实际的空间占用设定栈顶地址
    CMake+Ninja+arm-none-eabi-gcc+OpenOCD+VScode+AI在Windows系统下代替keil进行stm32程序的编译和调试
    想要像keil一样根据实际的空间占用设定栈顶地址，只需要添加这么一句话即可
    CMake+Ninja+arm-none-eabi-gcc+OpenOCD+VScode+AI在Windows系统下代替keil进行stm32程序的编译和调试
  • 启动文件
    keil的启动文件在进入main函数之前，会自动编译一些初始化的操作，使用gcc编译器需要显式写出。
    在具有BootLoader的应用中，需要在BootLoader中__set_MSP,重新初始化堆栈。如果BootLoader没有重新初始化堆栈，则需要在APP代码的启动文件的Reset_Handler，显式的添加栈顶指针的赋值
    CMake+Ninja+arm-none-eabi-gcc+OpenOCD+VScode+AI在Windows系统下代替keil进行stm32程序的编译和调试

5. 使用建议

VScode配合AI代码扩展可以极大的提高编码效率，内置的Git可以方便的进行代码版本的管理

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