Μέσα στο STM32: Αρχιτεκτονική, διεπαφές προγραμματισμού και τεχνικές εντοπισμού σφαλμάτων

Οι μικροελεγκτές STM32, χτισμένοι γύρω από τον πυρήνα του ARM Cortex-M3, προσφέρουν αποτελεσματική ισορροπία απόδοσης, κόστους και κατανάλωσης ενέργειας για ενσωματωμένες εφαρμογές.Με σειρές όπως STM32F101, F103, F105 και F107, παρέχουν ευέλικτες επιλογές στην ταχύτητα, τη μνήμη και τη συνδεσιμότητα.Σε σύγκριση με τις κληρονομιές 8-bit λύσεων όπως το 8051, το STM32 παρέχει προηγμένα χαρακτηριστικά όπως I/O υψηλής ταχύτητας, ολοκληρωμένα περιφερειακά και βελτιωμένη ευκολία προγραμματισμού, καθιστώντας την ισχυρή επιλογή για τους σύγχρονους προγραμματιστές που κατασκευάζουν αξιόπιστα και κλιμακούμενα συστήματα.

Κατάλογος

Εισαγωγή σε μικροελεγκτές STM32

Η σειρά μικροελεγκτή STM32 είναι κατασκευασμένη γύρω από τον πυρήνα του ARM Cortex-M3, με στόχο τις ενσωματωμένες εφαρμογές όπου υπάρχει ζήτηση για ισχυρή απόδοση, οικονομική προσιτότητα και αποτελεσματικότητα στην κατανάλωση ενέργειας.Αυτή η σειρά κατηγοριοποιείται με βάση την βασική αρχιτεκτονική:

- Η σειρά STM32F περιλαμβάνει διάφορα μοντέλα:

- STM32F103 "βελτιωμένη" σειρά

- STM32F101 "Βασική" σειρά

- STM32F105 και STM32F107 "Interconnected" σειρά

Η σειρά "Enhanced" διαθέτει μια εντυπωσιακή συχνότητα ρολογιού 72MHz, που διατίθεται ως το υψηλότερο προϊόν μεταξύ των συνομηλίκων του, ελκυστικά, ειδικά στους χρήστες που ευνοούν τις λύσεις 32-bit, αλλά συνειδητοποιούν τους δημοσιονομικούς περιορισμούς που συνήθως συνδέονται με προϊόντα 16-bit.Εναλλακτικά, η "βασική" σειρά λειτουργεί με συχνότητα ρολογιού 36MHz, παρέχοντας μια ισορροπημένη αύξηση της απόδοσης.Όλα τα μοντέλα σε αυτές τις σειρές είναι εξοπλισμένα με ενσωματωμένη μνήμη flash που κυμαίνεται από 32K έως 128K, ενώ οι παραλλαγές της χωρητικότητας SRAM και των περιφερειακών διεπαφών παρέχουν πρόσθετες επιλογές.Στα 72MHz, εκτέλεση κώδικα απευθείας από το Flash, το STM32 απαιτεί 36mA, μεταφράζοντας σε οικονομικό 0,5mA/MHz.

Οι μικροελεγκτές χρησιμεύουν ως συμπαγή ενσωματωμένα τσιπ κυκλώματος χρησιμοποιώντας τεχνολογία VLSI για την εδραίωση των κεντρικών μονάδων επεξεργασίας (CPU), της μνήμης τυχαίας πρόσβασης (RAM), της μνήμης μόνο για ανάγνωση (ROM), μαζί με διάφορα θύρες I/O, συστήματα διακοπής, χρονομετρητές δεδομένων, μετρητές και μερικές φορές επιπλέον συστατικά όπως κυκλώματα οδήγησης ή μετατροπείς A/D σε ένα ενιαίο τσιπ πυριτίου-Οι απλούστεροι μικροελεγκτές 8-bit, γνωστοί για την απλή εσωτερική αρχιτεκτονική τους, το μέτριο μέγεθος και την αποτελεσματικότητα κόστους, βρίσκουν χρήση σε εφαρμογές βασικών ελεγκτών.Τα συνηθισμένα παραδείγματα περιλαμβάνουν τη σειρά 51 της Intel, το σύστημα AVR της ATMEL, τη σειρά PIC της Microchip και τη σειρά MSP430 της TI.Ωστόσο, το STM32 αντιπροσωπεύει ένα πιο τρομερό μικροελεγκτή 32 bit.Μεγαλύτερα, επιτρέπει τον προγραμματισμό όχι μόνο μέσω καταχωρητών αλλά και μέσω αρχείων βιβλιοθήκης που παρέχονται από τον κατασκευαστή, βελτιώνοντας τόσο την ευκολία ανάπτυξης όσο και την ευκολία στη φορητότητα κώδικα.

Συγκρίνοντας τους μικροελεγκτές STM32 και 51

Ένας μικροελεγκτής είναι ένα συμπαγές ολοκληρωμένο κύκλωμα που έχει σχεδιαστεί για να κυβερνά μια συγκεκριμένη λειτουργία σε ένα ενσωματωμένο σύστημα.Ενσωματώνει βασικά στοιχεία όπως η CPU για επεξεργασία και έλεγχος, RAM για μνήμη αποθήκευσης δεδομένων, ROM για αποθήκευση προγραμμάτων, διεπαφές εισόδου/εξόδου όπως σειριακές και παράλληλες θύρες και ένα σύστημα διακοπής σε ένα μόνο τσιπ.

Η αρχιτεκτονική διαφέρει σημαντικά από τους προσωπικούς υπολογιστές, όπου τα εξαρτήματα CPU, RAM, ROM και I/O είναι ξεχωριστά τσιπ που τοποθετούνται σε μητρική πλακέτα για να χτίσουν έναν υπολογιστή.Αντίθετα, ένας μικροελεγκτής εδραιώνει αυτά τα συστατικά σε μία συνεκτική μονάδα.

Ο μικροελεγκτής 51

Ο μικροελεγκτής 51, που εισήχθη αρχικά από την Intel, παραμένει ένας από τους πιο διαδεδομένους μικροελεγκτές 8-bit και είναι καλά θεωρημένος για την καμπύλη μάθησης.Φημισμένος για την κλασική αρχιτεκτονική του με ολοκληρωμένη διαχείριση των ειδικών για το λεωφορείο μητρώων, τις ισχυρές λειτουργίες λογικών bit και ένα ευπροσάρμοστο σύνολο διδασκαλίας που βελτιστοποιήθηκε για εφαρμογές ελέγχου, θέτει τις βάσεις για άλλες εξελίξεις μικροελεγκτή.

Χαρακτηριστικά του 51 μικροελεγκτή

- Διαθέτοντας ένα σύστημα επεξεργαστή BIT, διευκολύνει τις λειτουργίες BIT για τα εσωτερικά στρώματα υλικού και λογισμικού, επιτρέποντας χειραγώγηση, όπως λειτουργίες μεταφοράς, SET, CLEAR, TEST και BIT LOGIC.Αυτό το χαρακτηριστικό το καθιστά φιλικό προς το χρήστη και λειτουργικά πλήρες.

- Περιλαμβάνει ένα ευέλικτο εύρος διευθύνσεων στην μνήμη RAM, ενισχύοντας την ευελιξία και την ευκολία χρήσης.

- Η συμπερίληψη των οδηγιών πολλαπλασιασμού και διαίρεσης εξορθολογίζει τις εργασίες προγραμματισμού, μια ικανότητα που έχουν πολλοί μικροελεγκτές 8-bit.

Μειονεκτήματα του 51 μικροελεγκτή

- Πρόσθετο υλικό απαιτείται συχνά για λειτουργίες AD και EEPROM, περιπλέκοντας το σχεδιασμό.

-Οι ακροδέκτες εισόδου/εξόδου, παρά το γεγονός ότι είναι φιλικές προς το χρήστη, δεν διαθέτουν δυνατότητες εξόδου υψηλού επιπέδου, αξιοσημείωτο περιορισμό της σειράς 51.

- Η ταχύτητα λειτουργίας μειώνεται, ιδιαίτερα σχετικά με τον δείκτη διπλών δεδομένων, παρεμποδίζοντας την αποτελεσματικότητα του προγραμματισμού.

- Τα περιορισμένα προστατευτικά χαρακτηριστικά του αυξάνουν την ευαισθησία σε ζημιές από τσιπ.

Εφαρμογές και συσκευές που χρησιμοποιούν τον μικροελεγκτή 51

- Χρησιμοποιείται συχνά σε εκπαιδευτικά περιβάλλοντα και εφαρμογές με μέτριες ανάγκες απόδοσης.

- Τα δημοφιλή μοντέλα περιλαμβάνουν τα 8051 και 80C51.

Ο μικροελεγκτής STM32

Κατασκευασμένη από την STMicroelectronics, η σειρά STM32 παρουσιάζει μια περιοχή μικροελεγκτή υψηλής απόδοσης, οικονομικά αποδοτικής και ισχύος.Χτισμένο στην αρχιτεκτονική του ARM Cortex-M, αυτοί οι μικροελεγκτές καλύπτουν τις ενσωματωμένες εφαρμογές που απαιτούν ανώτερες επιδόσεις.Προσφέρουν εξαιρετικά περιφερειακά, συμπεριλαμβανομένων 1 μs διπλής 12-bit ADC, 4Mbit/s UART και 18 Mbit/s SPI.

Η ισορροπία της κατανάλωσης και της ενσωμάτωσης της ενέργειας απευθύνεται στους μηχανικούς, ακόμη και αν δεν είναι η χαμηλότερη επιλογή που καταναλώνουν την ισχύ, όπως το MSP430.Ο διαισθητικός σχεδιασμός και η εκτεταμένη λειτουργικότητα του STM32 έχουν χαράξει μια αξιοσημείωτη φήμη μεταξύ των επαγγελματιών του κλάδου.

Χαρακτηριστικά του μικροελεγκτή STM32

-Core: Χρησιμοποιεί CPU Cortex-M3 ARM 32-bit που μπορεί να λειτουργήσει μέχρι και 72MHz και να επιτύχει 1.25DMIPS/MHz, με χαρακτηριστικά όπως ο πολλαπλασιασμός ενός κύκλου και το τμήμα υλικού.

-Μνήμη: Προσφέρει μνήμη flash 32-512KB παράλληλα με το 6-64KB SRAM on-chip.

- Διαχείριση ρολογιού και ενέργειας: Υποστηρίζει ένα τροφοδοτικό 2.0-3.6V με ένα ευρύ φάσμα συστημάτων διαχείρισης ρολογιών και επαναφοράς, συμπεριλαμβανομένων των κρυστάλλων ταλαντωτών και των διαμορφώσεων PLL για το ρολόι CPU.

- Σημαντοποίηση: Εξοπλισμένο με διεπαφές SWD και JTAG, παρέχοντας έως και 112 θύρες I/O και πολυάριθμες χρονομετρητές και διεπαφές επικοινωνίας.

Χρησιμοποιούμενες συσκευές STM32

- Τα βασικά μοντέλα περιλαμβάνουν τη σειρά STM32F103, STM32 L1 και STM32W.

Διαφορές μεταξύ 51 και STM32 μικροελεγκτών

Ο όρος "51 microcontroller" αναφέρεται σε συσκευές συμβατές με το σύνολο εντολών Intel 8031, πρωτοπορία από το μοντέλο 8031.Αυτές οι συσκευές επωφελήθηκαν από τις εξελίξεις Flash ROM, που εξελίσσονται στους ευρέως χρησιμοποιημένους μικροελεγκτές 8-bit, που υποδεικνύονται από τη σειρά AT89 από την Atmel.

Αντιστρόφως, η σειρά μικροελεγκτή STM32 αναπτύσσεται από το Stmicroelectronics με πυρήνα ARM Cortex-M3.Ενισχυμένο με πλούσιους εσωτερικούς πόρους, ξεπερνά τις οικογένειες 8051, AVR και PIC, που πλησιάζουν τις σύγχρονες δυνατότητες της CPU, προσαρμόζοντας έτσι πιο περίπλοκες συσκευές όπως κινητά τηλέφωνα και δρομολογητές.

Επισκόπηση βασικού συστήματος STM32 STM32

Το ενσωματωμένο περιβάλλον STM32 περιλαμβάνει αρκετά βασικά συστατικά που αλληλεπιδρούν αρμονικά.

Διαχείριση τροφοδοσίας

Η ομαλή λειτουργία των αναλογικών τμημάτων και της ενότητας AD απαιτεί προσεκτικό χειρισμό των συνδέσεων ισχύος, όπως VCC και GND, VDDA, VSSA και VREF (λαμβάνοντας υπόψη το πακέτο περιλαμβάνει τον PIN).Η εξωτερική σύνδεση είναι ζωτικής σημασίας και πρέπει να αποφεύγονται οι κυμαινόμενες συνδέσεις για να εξασφαλιστεί η σταθερότητα του συστήματος.

Για βέλτιστο φιλτράρισμα, τοποθετήστε τουλάχιστον έναν 104 κεραμικό πυκνωτή για κάθε ζεύγος VDD και GND.Οι πυκνωτές θέσης όσο πιο κοντά στη μονάδα μικροελεγκτή (MCU) είναι πρακτικές για τη διατήρηση της ακεραιότητας απόδοσης.

Οι έλεγχοι τάσης είναι μια διορατική πρακτική.Χρησιμοποιήστε ένα πολύμετρο για να επιβεβαιώσετε την ακρίβεια τάσης τροφοδοσίας.Μια ψηφιακή τροφοδοσία είναι προτιμότερη για σκοπούς εντοπισμού σφαλμάτων, συμβάλλοντας στην άμβλυνση των κινδύνων τάσης ή ρεύματος αιχμές.Διεξάγετε μια διεξοδική αξιολόγηση τάσης από το σημείο εισόδου καλωδίων μέχρι τη σύνδεση τροφοδοσίας τσιπ, προωθώντας μια σχολαστική προσέγγιση.

Επαναφορά και ακολουθία power-up

Ο πείρος εκκίνησης εξυπηρετεί έναν αποκλειστικό ρόλο στον προσδιορισμό της εκκίνησης του κώδικα εκκίνησης μετά την εκκίνηση του κώδικα εκκίνησης, που δεν επηρεάζεται από τις ενώσεις JTAG.

Στο σχεδιασμό κυκλώματος, ο πείρος εκκίνησης μπορεί να είναι μη απαραίτητη.Ωστόσο, επιβάλλει μια σύνδεση είτε με το έδαφος είτε με την εξουσία μέσω ενός εξωτερικού αντιστάτη - η απομάκρυνση της επιπλέουσας είναι απαράδεκτη.Η μνήμη εκκίνησης Tri-Mode του STM32 είναι εγγενής μέσα στο τσιπ:

- Μνήμη flash χρήστη: Ενσωματωμένη αποθήκευση flash.

- SRAM: Περιοχή Ram on-chip, ενεργώντας ως μνήμη.

- Μνήμη συστήματος: Αφιερωμένη εσωτερική ζώνη τσιπ που φιλοξενεί ένα εργοστασιακό προκαθορισμένο bootloader, που συχνά αναφέρεται ως πρόγραμμα ISP.Αυτό το τμήμα ROM αντιστέκεται στην τροποποίηση ή διαγραφή μετά το πλοίο.

Κάθε τσιπ STM32 διαθέτει ακροδέκτες boot0 και boot1.Η κατάσταση που προκαλείται από την επαναφορά αυτών των ακίδων υπαγορεύει τη ζώνη εκτέλεσης μετά την επαναφορά.

- BOOT1 = x BOOT0 = 0: Εκτελείται από τη λειτουργία λειτουργίας μνήμης φλας χρήστη.

- BOOT1 = 0 BOOT0 = 1: Ξεκινά από τη μνήμη του συστήματος, που προγραμματίζεται από τον κατασκευαστή.

- BOOT1 = 1 BOOT0 = 1: Χρησιμοποιεί ενσωματωμένο SRAM, κατάλληλο για σκοπούς εντοπισμού σφαλμάτων.

Ο προγραμματισμός είναι εφικτός μέσω της θύρας JTAG ή της λειτουργίας SWD, επιλέγοντας εκκίνηση από τη μνήμη flash χρήστη.Η επιλογή της αποθήκευσης του συστήματος είναι εφικτή σε σειριακά σειριακά σειριακά σειριακά σειριακά σειρές.

Επιλογές διεπαφής προγραμματισμού

Για μείωση της υποδοχής, εξετάστε την προσομοίωση λειτουργίας SWD, κυρίως χρησιμοποιώντας το JLink, απαιτώντας απλώς τέσσερα καλώδια -3.3V, GND, SWDIO, SWCLK.

Οι συνδέσεις περιλαμβάνουν:

- Το STM32 JTMS/SWDIO ευθυγραμμίζεται με το JTAG Port TMS.

- STM32 JTCK/SWCLK Parallels JTAG Port Tck.

Η επιλογή ULINK2 απαιτεί ένα πρόσθετο καλώδιο: "NRST", συνολικά πέντε.

Η αυτοπεποίθηση αυτής της διεπαφής είναι δυνατή.Συνδέστε τον εξομοιωτή και την πλακέτα προορισμού χρησιμοποιώντας ένα jumper Wire DuPont ή μια πλακέτα διασύνδεσης μετατροπής μπλοκ σύμφωνα με ευκολία.

Δυναμική δυσκολίας σφαλμάτων και προγραμματισμού

Η ακατάλληλη συνδεσιμότητα του τσιπ στόχων αναστέλλει τις κανονικές λειτουργίες:

- Βεβαιωθείτε ότι η κατάλληλη ελάχιστη σύνδεση συστήματος στην πλακέτα προορισμού, επιβεβαιώνοντας τη φυσιολογική λειτουργικότητα των τσιπ: σωστή VDD, VDDA, VSS, σύνδεση VDD, αξιόπιστα κυκλώματα επαναφοράς και πηγές επαναφοράς μη παρεμβολής.

Ο προϋπάρχος καμένος κώδικας μπορεί να περιπλέξει νέες προσπάθειες εντοπισμού σφαλμάτων:

-Ο λανθασμένος προ-φορτωμένος κώδικας αρχίζει απροσδιόριστες καταστάσεις κατά την ενεργοποίηση, παρεμποδίζοντας την καταχώρηση της λειτουργίας εντοπισμού σφαλμάτων, ενδεχομένως ενεργοποιώντας περιττές περιφερειακούς ή διαμορφώνοντας το PIN SWJ ως συνηθισμένη θύρα I/O.

Οι λύσεις περιλαμβάνουν την επιλογή ακίδων εκκίνησης/boot1 για εκκίνηση RAM ή αρχικά διαγράφοντας τον υπάρχοντα κώδικα.

Η προστασία ανάγνωσης/εγγραφής τσιπ θέτει πρόσθετες προκλήσεις:

- Τα εργαλεία εντοπισμού σφαλμάτων ενδέχεται να αποτύχουν κατά την ανάγνωση ή τη σύνταξη ενσωματωμένων φλας.Το Remedy περιλαμβάνει τη χρήση του εργαλείου εντοπισμού σφαλμάτων για την απενεργοποίηση της προστασίας ανάγνωσης/εγγραφής τσιπ.

Συχνές ερωτήσεις [FAQ]

1. Ποιος είναι ο μικροελεγκτής STM32;

Το STM32 αντιπροσωπεύει μια συλλογή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων μικροελεγκτή 32 bit από το Stmicroelectronics.Μέσα σε κάθε μικροελεγκτή, θα βρείτε τον πυρήνα του επεξεργαστή, τη στατική μνήμη RAM, τη μνήμη flash, μια διεπαφή εντοπισμού σφαλμάτων και πολλά περιφερειακά.

2. Γιατί το STM32 είναι τόσο δημοφιλές;

Η οικογένεια των μικροελεγκτών STM32 από το Stmicroelectronics είναι γνωστή για την αρχιτεκτονική 32-bit που βασίζεται στο πλάτος και το ARM.Η ευελιξία και οι προσαρμόσιμες επιλογές τους προσφέρουν στους χρήστες μια μοναδική πρόκληση όσον αφορά την αρχικοποίηση.

3. Πώς προγραμματίζετε ένα STM32;

Ξεκινήστε με την εγκατάσταση των απαραίτητων εργαλείων όπως το STM32CUBEMX και το STM32CUBEIDE για να αρχίσετε να εργάζεστε με μικροελεγκτές STM32 και εκτελώντας βασικά παραδείγματα.Στη συνέχεια, εφαρμόστε ένα απλό έργο που αναβοσβήνει LED στον πίνακα Nucleo-L476RG χρησιμοποιώντας οδηγούς HAL για να εξοικειωθείτε με τον έλεγχο GPIO.Στη συνέχεια, εξερευνήστε την επικοινωνία UART και μάθετε περισσότερα σχετικά με τα βασικά χαρακτηριστικά του διοικητικού συμβουλίου.Ενσωματώστε τους αισθητήρες χρησιμοποιώντας το αναπτυξιακό συμβούλιο B-L475E-IOT01A για τη συλλογή δεδομένων πραγματικού κόσμου.Τέλος, συνδυάστε όλα τα στοιχεία για να δημιουργήσετε ένα πλήρες σύστημα IoT που τροφοδοτείται από το STM32.

4. Πού χρησιμοποιείται το STM32;

Οι μικροελεγκτές STM32 βρίσκουν τη θέση τους σε πολυάριθμες εφαρμογές, που κυμαίνονται από βασικές λειτουργίες εκτυπωτή έως προηγμένες πλακέτες κυκλωμάτων οχημάτων.Η δυνατότητα δημιουργίας υλικολογισμικού και ενσωματωμένων συστημάτων που χρησιμοποιούν Microcontrollers STM32 είναι μια αξιόλογη ικανότητα για κάθε μηχανικό στα πεδία ηλεκτρονικών και επικοινωνιών.

5. Το STM32 έχει WiFi;

Η σειρά STM32WX εμπλουτίζει τις προσφορές STM32 MCU με επιλογές ασύρματης συνδεσιμότητας.Αυτές περιλαμβάνουν τις λειτουργίες τόσο σε κλίμακες συχνοτήτων Sub-GHz όσο και 2,4 GHz.Η φιλική προς το χρήστη φύση, η αξιοπιστία και η προσαρμοστικότητα τους καθιστούν κατάλληλα για μια ποικιλία βιομηχανικών και καταναλωτικών εφαρμογών.