Wewnątrz STM32: Architektura, interfejsy programowania i techniki debugowania

Mikrokontrolery STM32, zbudowane wokół rdzenia Cortex-M3 ARM, oferują wydajną równowagę wydajności, kosztów i zużycia energii dla wbudowanych zastosowań.Z seriami takimi jak STM32F101, F103, F105 i F107, zapewniają elastyczne opcje prędkości, pamięci i łączności.W porównaniu ze starszymi 8-bitowymi rozwiązaniami, takimi jak 8051, STM32 zapewnia zaawansowane funkcje, takie jak szybkie we/wy, zintegrowane peryferyjne i ulepszona wygoda programowania, co czyni go silnym wyborem dla nowoczesnych programistów budujących niezawodne i skalowalne systemy.

Katalog

Wprowadzenie do mikrokontrolerów STM32

Skład mikrokontrolera STM32 jest wytwarzany wokół rdzenia Cortex-M3 Cortex-M3, ukierunkowanego na wbudowane zastosowania, w których istnieje zapotrzebowanie na solidną wydajność, ekonomiczną przystępność cenową i wydajność zużycia energii.Ta seria jest klasyfikowana na podstawie podstawowej architektury:

- Seria STM32F zawiera różne modele:

- Seria STM32F103 „Enhanced”

- Seria „STM32F101„ Podstawowa ”

- Seria „STM32F105 i STM32F107

Seria „ulepszona” oferuje imponującą częstotliwość zegara 72 MHz, wyróżniającą się jako najlepiej działający produkt wśród swoich rówieśników, szczególnie atrakcyjny dla użytkowników sprzyjających 32-bitowym rozwiązaniom, ale uważając ograniczenia budżetowe zwykle związane z 16-bitowymi produktami.Alternatywnie seria „podstawowa” działa z częstotliwością zegara 36 MHz, zapewniając zrównoważony wzrost wydajności.Wszystkie modele z tych serii są wyposażone w wbudowaną pamięć flash od 32K do 128K, podczas gdy zmiany pojemności SRAM i interfejsów peryferyjnych zapewniają dodatkowe opcje.Przy 72 MHz, wykonując kod bezpośrednio z Flash, STM32 wymaga 36MA, tłumacząc na ekonomiczny 0,5 mA/MHz.

Mikrokontrolery służą jako kompaktowe zintegrowane układy obwodów przy użyciu technologii VLSI do konsolidacji centralnych jednostek przetwarzania (CPU), pamięci losowej dostępu (pamięć RAM), pamięci tylko do odczytu (ROM), wraz z różnymi portami we/wy, systemom przerwania, liczbowym timerom przetwarzania danych, licznikom, a czasem dodatkowym komponentom.Prostsze 8-bitowe mikrokontrolery, znane z nieskomplikowanej architektury wewnętrznej, niewielkiej wielkości i opłacalności, znajdują użycie w podstawowych aplikacjach kontrolerów.Wspólne przykłady obejmują serię Intela 51, system AVR ATMEL, serię PIC Microchip i serię MSP430 TI.Jednak STM32 reprezentuje potężniejszy 32-bitowy mikrokontroler.Wyraźnie pozwala na programowanie nie tylko za pośrednictwem rejestrów, ale także za pośrednictwem plików bibliotecznych dostarczanych przez producenta, zwiększając zarówno wygodę rozwoju, jak i łatwość przenośności kodu.

Porównanie mikrokontrolerów STM32 i 51

Mikrokontroler to kompaktowy zintegrowany obwód zaprojektowany do zarządzania określoną operacją w systemie wbudowanym.Zawiera niezbędne komponenty, takie jak procesor do przetwarzania i kontroli, pamięć RAM dla pamięci pamięci danych, ROM do przechowywania programu, interfejsów wejściowych/wyjściowych, takich jak porty szeregowe i równoległe oraz system przerwań na jednym chipie.

Architektura różni się znacznie od komputerów osobistych, w których komponenty CPU, RAM, ROM i I/O są osobnymi wiórami, które są zamontowane na płycie głównej w celu zbudowania komputera.Natomiast mikrokontroler konsoliduje te komponenty w jedną spójną jednostkę.

51 mikrokontroler

Mikrokontroler 51, początkowo wprowadzony przez Intela, pozostaje jednym z najbardziej rozpowszechnionych 8-bitowych mikrokontrolerów i jest dobrze stwierdzony pod kątem krzywej uczenia się.Znany z klasycznej architektury z kompleksowym zarządzaniem rejestrami specyficznymi dla autobusów, solidnymi funkcjami bitami logiki i wszechstronnego zestawu instrukcji zoptymalizowanego do aplikacji kontrolnych, stanowi podstawę do innych postępów mikrokontrolera.

Cechy 51 mikrokontrolera

- Oceniając system procesora bit, ułatwia operacje na poziomie bitu zarówno dla wewnętrznych warstw sprzętowych, jak i oprogramowania, umożliwiając manipulację, takie jak transfer, zestaw, wyczyść, test i logika bitów.Ten atrybut sprawia, że ​​jest przyjazny dla użytkownika i funkcjonalnie kompletny.

- Zawiera wszechstronny zakres adresów w pamięci RAM na chipie, zwiększając elastyczność i łatwość użytkowania.

- Włączenie instrukcji mnożenia i podziału usprawnia zadania programowania, zdolność, której brakuje wielu 8-bitowych mikrokontrolerów.

Wady 51 mikrokontrolera

- Często wymagany jest dodatkowy sprzęt do funkcji AD i EEPROM, komplikując projekt.

-Piny we/wy, mimo że są przyjazne dla użytkownika, brakuje możliwości wyjściowych na wysokim poziomie, co jest godne uwagi ograniczenie serii 51.

- Szybkość robocza nie spada, szczególnie w odniesieniu do wskaźnika podwójnego danych, utrudniając wydajność programowania.

- Jego ograniczone cechy ochronne zwiększają podatność na uszkodzenie ChIP.

Aplikacje i urządzenia za pomocą mikrokontrolera 51

- Jest często wykorzystywany w ustawieniach edukacyjnych i aplikacjach o skromnych potrzebach wydajności.

- Popularne modele obejmują 8051 i 80C51.

Mikrokontroler STM32

Seria STM32, wyprodukowana przez Stmicroelectronics, przedstawia wysokowydajny, opłacalny i wydajny zasilanie zakresu mikrokontrolera.Te mikrokontrolery, zbudowane na architekturze ARM Cortex-M, zaspokajają wbudowane zastosowania wymagające doskonałej wydajności.Oferują wyjątkowe urządzenia peryferyjne, w tym 1 μs podwójny 12-bitowy ADC, 4MBIT/S UART i 18 Mbit/S SPI.

Bilans zużycia energii i integracja przemawia do inżynierów, nawet jeśli nie jest to najniższa opcja, jak MSP430.Intuicyjny projekt i ekspansywna funkcjonalność STM32 wykuły znaczącą reputację wśród profesjonalistów branżowych.

Charakterystyka mikrokontrolera STM32

-Rdzeń: Wykorzystuje 32-bitowy procesor CPU CORTEX-M3 ARM, który jest w stanie działać do 72 MHz i osiągnąć 1,25DMIPS/MHz, z funkcjami takimi jak mnożenie pojedynczego cyklu i podział sprzętu.

-Pamięć: Oferuje pamięć flash 32-512KB wraz z 6-64KB SRAM On-Chip.

- Zegar i zarządzanie energią: Obsługuje zasilacz 2,0-3,6V z szeroką gamą systemów zarządzania zegarami i resetowaniem, w tym kryształowych oscylatorów i konfiguracji PLL dla zegara procesora.

- Debugowanie: wyposażone w interfejsy SWD i JTAG, zapewniając do 112 portów we/wy oraz liczne liczniki czasu i interfejsów komunikacyjnych.

Powszechnie używane urządzenia STM32

- Modele kluczowe obejmują serię STM32F103, STM32 L1 i STM32W.

Rozróżnienia między mikrokontrolerów 51 i STM32

Termin „51 MicroController” odnosi się do urządzeń kompatybilnych z zestawem instrukcji Intel 8031, pionierski z modelu 8031.Urządzenia te skorzystały z postępów flash ROM, przekształcając się w szeroko stosowane 8-bitowe mikrokontrolery, zilustrowane przez serię AT89 z Atmel.

I odwrotnie, seria mikrokontrolera STM32 jest opracowywana przez Stmicroelectronics z rdzeniem Cortex-M3.Ulepszony o bogate zasoby wewnętrzne, przewyższa rodziny 8051, AVR i PIC, zbliżając się do nowoczesnych możliwości procesora, dopasowując w ten sposób bardziej skomplikowane urządzenia, takie jak telefony komórkowe i routery.

STM32 Podstawowy przegląd systemu

Wbudowane środowisko STM32 obejmuje kilka podstawowych elementów, które harmonijnie oddziałują.

Zarządzanie zasilaczami

Płynne działanie części analogowych i sekcji AD wymaga starannego obsługi połączeń zasilania, takich jak VCC i GND, VDDA, VSSA i VREF (biorąc pod uwagę pakiet zawiera PIN).Zewnętrzne połączenie jest niezbędne i należy unikać pływających połączeń, aby zapewnić stabilność systemu.

Aby uzyskać optymalne filtrowanie, umieść co najmniej jeden 104 ceramiczny kondensator dla każdej pary VDD i GND.Kondensatory pozycjonują tak blisko jednostki mikrokontrolera (MCU) jako praktyczne w celu utrzymania integralności wydajności.

Kontrole napięcia są wnikliwą praktyką.Zastosuj multimetr, aby potwierdzić dokładność napięcia zasilania.Cyfrowy zasilacz jest preferowany do celów debugowania, pomagając ograniczyć ryzyko napięcia lub prądowych skoków.Przeprowadź dokładną ocenę napięcia od punktu wejścia do przewodu do połączenia zasilania układu, wspierając skrupulatne podejście.

Sekwencja resetowania i ulepszenia

PIN rozruchu pełni wyłączną rolę w określaniu początkowego adresu kodu wykonawczego po uruchomieniu po MCU, nie ma wpływu na stowarzyszenia JTAG.

W konstrukcji obwodu szpilka może być nieistotna.Jednak nakazuje połączenie z uziemieniem lub mocą za pomocą zewnętrznego rezystora - pozostawienie jego pływającego jest niepowtarzalne.Pamięć rozruchowa Tri-Mode STM32 jest nieodłączna w chipie:

- pamięć flash użytkownika: wbudowana pamięć flash.

- SRAM: Obszar RAM na chipie, działający jako pamięć.

- Pamięć systemu: dedykowana strefa wewnętrzna chipowa obudowa fabrycznie ustawionego bootloadera, często określanego jako program ISP.Niniejsza sekcja ROM opiera się na modyfikacji lub usuwaniu po wysyłce.

Każdy układ STM32 ma szpilki Boot0 i Boot1.Stan poziomu indukowanego resetem tych pinów dyktuje strefę wykonania po reset.

- boot1 = x boot0 = 0: Wykonuje się z pamięci flash użytkownika - tryb pracy.

- boot1 = 0 boot0 = 1: inicjuje z pamięci systemowej, funkcjonując zaprogramowane przez producenta.

- boot1 = 1 boot0 = 1: Wykorzystuje wbudowany SRAM, odpowiedni do celów debugowania.

Programowanie można osiągnąć za pośrednictwem portu JTAG lub trybu SWD, wybierając rozruch z pamięci flash użytkownika.Wybór przechowywania systemu jest wykonalny w scenariuszach programu seryjnego trybu ISP Port.

Opcje interfejsu programowania

W celu redukcji gniazd rozważ symulację trybu SWD, głównie za pomocą JLink, wymagając tylko czterech przewodów - 3,3 V, GND, SWDIO, SWCLK.

Połączenia obejmują:

- STM32 JTMS/SWDIO wyrównuje z portem JTAG TMS.

- STM32 JTCK/SWCLK PARALLELS JTAG Port Tck.

Opcja Ulink2 wymaga dodatkowego przewodu: „NRST”, w sumie pięć.

Możliwe jest samookreślenie tego interfejsu.Podłącz emulator i płytę docelową za pomocą skoczki DuPont Wire lub płyty interfejsu konwersji blokowej zgodnie z wygodą.

Dynamika trudności w debugowaniu i programowaniu

Niewłaściwa łączność układu docelowego hamuje normalne operacje:

- Upewnij się, że odpowiednie minimalne połączenie systemowe na płycie docelowej, potwierdzając normalną funkcjonalność chipów: poprawne VDD, VDDA, VSS, VDDS łączenie, niezawodne obwody resetowania i nie interferencyjne źródła resetowania.

Istnieje wcześniej spalony kod może komplikować nowe próby debugowania:

-Nieprawidłowy wstępnie załadowany kod inicjuje stany niezdefiniowane po włączeniu, utrudniając wprowadzenie trybu debugowania, potencjalnie aktywując niepotrzebne peryferyjne lub konfigurowanie pinu SWJ jako zwykłego portu we/wy.

Rozwiązania obejmują wybór pinów boot0/boot1 do rozruchu RAM lub początkowo usuwanie istniejącego kodu.

Ochrona odczytu/zapisu układu stanowi dodatkowe wyzwania:

- Narzędzia do debugowania mogą nie przeczytać lub pisać wbudowanego lampy błyskowej.Rozwiązanie polega na wykorzystaniu narzędzia debugowania do dezaktywacji ochrony odczytu/zapisu.

Często zadawane pytania [FAQ]

1. Jaki jest mikrokontroler STM32?

STM32 reprezentuje zbiór 32-bitowych obwodów zintegrowanych mikrokontrolerów ze stmicroelectronics.W ramach każdego mikrokontrolera znajdziesz rdzeń procesora, statyczne pamięć RAM, pamięć flash, interfejs debugowania i kilka peryferyjnych.

2. Dlaczego STM32 jest tak popularny?

Rodzina mikrokontrolerów STM32 ze Stmicroelectronics jest znana ze swojej szerokości i 32-bitowej architektury opartej na ramieniu.Ich wszechstronność i opcje konfigurowalne stanowią użytkownikom unikalne wyzwanie pod względem inicjalizacji.

3. Jak programujesz STM32?

Zacznij od zainstalowania niezbędnych narzędzi, takich jak STM32CUBEMX i STM32Cubeide, aby rozpocząć pracę z mikrokontrolerami STM32 i uruchamiać podstawowe przykłady.Następnie wdrożyć prosty projekt migania LED na płycie Nucleo-L476RG za pomocą sterowników HAL, aby zapoznać się z kontrolą GPIO.Następnie odkryj komunikację UART i dowiedz się więcej o podstawowych funkcjach planszy.Zintegruj czujniki za pomocą tablicy rozwojowej B-L475E-IOT01A w celu zebrania danych rzeczywistych.Na koniec połącz wszystkie elementy, aby zbudować kompletny system IoT zasilany przez STM32.

4. Gdzie jest używany STM32?

Mikrokontrolery STM32 znajdują swoje miejsce w wielu aplikacjach, od podstawowych funkcji drukarki po zaawansowane płyty obwodów pojazdowych.Zdolność do tworzenia oprogramowania układowego i systemów wbudowanych przy użyciu mikrokontrolerów STM32 jest cenną umiejętnością dla każdego inżyniera w dziedzinie elektroniki i komunikacji.

5. Czy STM32 ma Wi -Fi?

Seria STM32WX wzbogaca ofertę MCU STM32 z opcjami łączności bezprzewodowej.Obejmują one operacje zarówno w zakresie częstotliwości sub-GHz, jak i 2,4 GHz.Ich przyjazny dla użytkownika charakter, niezawodność i możliwość adaptacji sprawiają, że są odpowiednie do różnorodnej gamy aplikacji przemysłowych i konsumenckich.