嵌入式系统设计(STM32)第1讲

STM32嵌入式微控器快速上手陈志旺等编著电子工业出版社参考资料1.喻金钱，喻斌.STM32F系列ARMCortex-M3核微控制器开发与应用[M].清华大学出版社.2.彭刚，秦志刚.基于ARMCortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器应用实践[M].电子工业出版社.3.李宁.基于MDK的STM32处理器开发应用[M].北京航空航天大学出版社.考试形式总成绩=实验40%+平时10%+期末50%实验时间：1-17周,双周周五上午8:00实验地点：电子楼119主要内容1.嵌入式系统简介2.STM32简介3.教学开发板4.工程模板的建立1.嵌入式系统简介1.1嵌入式系统定义1.2嵌入式系统的特点1.3嵌入式系统的分类1.4嵌入式系统的应用1.5嵌入式系统的发展1.6通用计算机与嵌入式系统对比1.1嵌入式系统定义嵌入式系统（Embeddedsystem），是一种“完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统”，根据英国电器工程师协会（U.K.InstitutionofElectricalEngineer）的定义，嵌入式系统为“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。与个人计算机这样的通用计算机系统不同，嵌入式系统通常执行的是带有特定要求的预先定义的任务。由于嵌入式系统只针对一项特殊的任务，设计人员能够对它进行优化，减小尺寸降低成本。嵌入式系统通常进行大量生产，所以单个的成本节约，能够随着产量进行成百上千的放大。1.1嵌入式系统定义嵌入式系统的核心是由一个或几个预先编程好以用来执行少数几项任务的微处理器或者单片机组成。与通用计算机能够运行用户选择的软件不同，嵌入式系统上的软件通常是暂时不变的，所以经常称为“固件”。国内普遍认同的嵌入式系统定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。一般而言，嵌入式系统的构架可以分成四个部分：处理器、存储器、输入输出（I/O）和软件。1.2嵌入式系统的特点嵌入式系统的几个重要特征：（1）系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。内核，是一个操作系统的核心。是基于硬件的第一层软件扩充，提供操作系统的最基本的功能，是操作系统工作的基础，它负责管理系统的进程、内存、内核体系结构设备驱动程序、文件和网络系统，决定着系统的性能和稳定性。（2）专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全两个概念。1.2嵌入式系统的特点（3）系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。（4）高实时性。高实时性的系统软件(OS)是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固态存储，以提高速度；软件代码要求高质量和高可靠性。（5）多任务的操作系统。嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多任务，利用系统资源、系统函数以及专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS(RealTimeOperatingSystem)开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。1.2嵌入式系统的特点（6）专门的开发工具和环境。系统开发需要开发工具和环境。由于其本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。【自举（bootstrapping）一词来自于人都是靠自身的“自举”机构站立起来的这一思想。计算机必须具备自举能力将自己所有的元件激活，以便能完成加载操作系统这一目的，然后再由操作系统承担起那些单靠自举代码无法完成的更复杂的任务。自举只有两个功能：加电自检和磁盘引导。】1.3嵌入式系统的分类（1）体系结构。普林斯顿结构（冯·诺依曼结构）和哈佛结构（2）指令集。CISC（复杂指令系统）和RISC（精简指令系统）（见表1-2,P4）（3）嵌入式处理器种类。一般可以将嵌入式处理器分成4类，即嵌入式微处理器(MicroProcessorUnit，MPU)嵌入式微控制器(MicroControllerUnit，MCU单片机)嵌入式DSP处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)嵌入式片上系统(SystemOnChip，SoC)（见表1-3,P5）冯·诺依曼结构：单一存储、统一编址、分时复用哈佛结构：分开存储、独立编址、两倍带宽、效率更高CISCvsRISC1.4嵌入式系统的应用（1）工业控制基于嵌入式芯片的工业自动化设备将获得长足的发展，目前已经有大量的8、16、32位嵌入式微控制器在应用中，网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力资源主要途径，如工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统。就传统的工业控制产品而言，低端型采用的往往是8位单片机。但是随着技术的发展，32位、64位的处理器逐渐成为工业控制设备的核心，在未来几年内必将获得长足的发展。（2）交通管理在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用，内嵌GPS模块、GSM模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成功的使用。目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭，只需要几千元，就可以随时随地找到你的位置。1.4嵌入式系统的应用（3）信息家电这将称为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。即使你不在家里，也可以通过电话线、网络进行远程控制。在这些设备中，嵌入式系统将大有用武之地。（4）家庭智能管理系统水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌有的专用控制芯片将代替传统的人工检查，并实现更高，更准确和更安全的性能。目前在服务领域，如远程点菜器等已经体现了嵌入式系统的优势。（5）POS网络及电子商务公共交通无接触智能卡(ContactlessSmartcard,CSC)发行系统，公共电话卡发行系统，自动售货机，各种智能ATM终端将全面走入人们的生活，到时手持一卡就可以行遍天下。1.4嵌入式系统的应用（6）环境工程与自然水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。在很多环境恶劣，地况复杂的地区，嵌入式系统将实现无人监测。（7）国防与航天嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化，高智能方面优势更加明显，同时会大幅度降低机器人的价格，使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用。1.5嵌入式系统的发展纵观嵌入式系统的发展历程，大致经历了以下3个阶段：以嵌入式微处理器为基础的初级嵌入式系统以嵌入式操作系统为标志的中级嵌入式系统以Internet和实时多任务操作系统为标志的高级嵌入式系统发展趋势嵌入式技术与Internet技术的结合正在推动着嵌入式技术的飞速发展，为嵌入式市场展现了美好的前景，同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战，未来嵌入式系统的几大发展趋势：（1）嵌入式系统的开发成了一项系统工程，开发厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还要提供强大的硬件开发工具和软件支持包。（2）网络化、信息化的要求随着Internet技术的成熟和带宽的提高而日益突出，以往功能单一的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构变得更加复杂，网络互联成为必然趋势。发展趋势（3）未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求，必然要求硬件上提供各种网络通信接口。传统的单片机对于网络支持不足，而新一代的嵌入式处理器已经开始内嵌网络接口，除了支持TCP/IP协议，还有的支持IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口中的一种或者几种，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。软件方面系统系统内核支持网络模块，甚至可以在设备上嵌入Web浏览器，真正实现随时随地用各种设备上网。（4）精简系统内核，优化关键算法，降低功耗和软硬成本。（5）提供更加友好的多媒体人机交互界面。1.6通用计算机与嵌入式系统对比硬件平台比较软件平台比较返回2.STM32简介STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核。按性能分成两个不同的系列：STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列。增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择。两个系列都内置32K～128K的闪存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。2.STM32简介2.1历史2.2产品介绍2.3Cortex-M3内核2.4应用2.1STM32历史意法半导体(STMicroelectronics)集团于1987年6月成立，是由意大利的SGS微电子公司和法国Thomson半导体公司合并而成。1998年5月，SGS-THOMSONMicroelectronics将公司名称改为意法半导体有限公司,意法半导体是世界最大的半导体公司之一。从成立之初至今，ST的增长速度超过了半导体工业的整体增长速度。自1999年起，ST始终是世界十大半导体公司之一。2007年6月ST宣布了她的第一款基于Cortex-M3并内嵌32K~128K闪存的STM32微控制器系列产品。ARM公司在2004年推出了CM3内核，经过5年市场的积累，包括ST公司、TI公司等一些半导体公司推出了基于CM3内核的微控制器产品。ARMARM（AdvancedRISCMachines）是英国的一家微处理器企业，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。见表1-5（P10）ARM体系结构定义了指令集和基于这一体系结构下处理器的编程模型。基于同样体系结构可以有多种处理器，每个处理器性能不同，所面向的应用也就不同。ARMv7有三个分支，即：A-应用分支，面向应用，如手持设备。R-实时分支，面向一般的实时控制。M-微处理机分支，面向深度嵌入系统。ARM处理器系列2.2Cortex-M3内核Cortex-M3系列微处理器的主要特点如下：（1）Thumb-2指令集架构（ISA,InstructionSetArchitecture）。（2）哈佛处理器架构，在加载/存储数据的同时能够执行指令取指。（3）三级流水线。（4）32位单周期乘法。（5）具备硬件除法。（6）Thumb状态和调试状态。（7）处理模式和线程模式。（8）ISR（InterruptServiceRoutine）的低延迟进入和退出。（9）可中断-可继续的LDM/STM（批量传输数据的指令），PUSH/POP。（10）ARMv6类型BE8/LE支持。（字节不变式大端模式big-endian/小端模式little-endian）（11）ARMv6非对齐访问。（12）分支预测功能关于指令集Cortex－M3处理器采用ARMv7-M架构，它包括所有的16位Thumb指令集和基本的32位Thumb-2指令集架构，Cortex-M3处理器不能执行ARM指令集。Thumb-2在Thumb指令集架构（ISA）上进行了大量的改进，它与Thumb相比，具有更高的代码密度