≡× МЕНЮ

• Утилиты
• Инструменты
• Оптимизация
• Интернет
• Загрузки

Программирование микроконтроллеров stm32 самоучитель. Начинаем изучать STM32 или Управляем светом по-умному

Данная статья, которая является еще одним "быстрым стартом" в освоении ARM-контроллеров, возможно поможет сделать первые шаги в освоении 32-битных контроллеров ARM на базе ядра Cortex-M3 - STM32F1xxx серии. Возможно данная статья (которых на эту тему появляется как грибов после дождя) станет для кого-то полезной.

Введение

Почему ARM?
1. Есть из чего выбрать (разными производителями сегодня выпускается более 240 ARM-контроллеров)
2. Низкая цена (например за 1$ можно получить 37хI / O, 16K Flash, 4K RAM, 2xUART, 10x12bitADC, 6x16bitPWM).

А начнем нашу работу с контроллеров фирмы ST Microelectronics. Контроллеры на основе ядра ARM Cortex-M3 характеризуются широким набором периферии, высоким уровнем рабочих характеристик, низкой цене
P.S. В самом начале создается впечатление, что ARM"ы это какие-то страшные (в пайке, разводке, программировании) существа. Но это только на первый взгляд:) и вы в этом сами убедитесь.

Итак, изучать ARMы будем на примере контроллеров STM32F1. Одновременно эта серия имеет несколько линеек:

• Value line STM32F100 - 24 МГц CPU, motor control, CEC.
• Access line STM32F101 - 36 МГц CPU, до 1 Mб Flash
• USB access line STM32F102 - 48 МГц CPU with USB FS
• Performance line STM32F103 - 72 МГц, до 1 Mб Flash, motor control, USB, CAN
• Connectivity line STM32F105/107 - 72 МГц CPU, Ethernet MAC, CAN, USB 2.0 OTG

Также существует следующая классификация:

Контроллеры STM32 можно заставить загружаться с 3-х областей памяти (в зависимости от состояния ножек BOOT0 и BOOT1 при старте контроллера или после его сброса). Записать программу в память контроллера можно следующими способами:

1 способ:
Используя загрузчик (он уже записан в системную память) и USART1 (USART2 remaped): использует внутренний тактовый сигнал 8 МГц. Чтобы запустить встроенный загрузчик, зашитый в контроллер производителем, достаточно просто бросить на лапки контроллера TX1, RX1 сигнал с преобразователя RS232-3.3В (например на базе FT232RL) и выставить перед этим BOOT0 = 1 и BOOT1 = 0 жмем RESET и можем шить программу в контроллер. А зашивается она в программе Flash Loader Demonstartor от STM (для Windows).

PS. Если вы сидите под LINUX и не имеете отладочной платы типа дискавери, можно заливать прошивку в контроллер через всеми любимый rs-232 (собственно - через преобразователь rs-232-3,3В). Для этого нужно использовать python-скрипт (Ivan A-R) (для LINUX или MACOSX).
Для начала у вас должен быть установлен Python 2.6 версии и библиотека для работы с последовательным портом - PySerial library.
Теперь, чтобы запустить скрипт stmloader.py (из терминала, разумеется) нужно его немного подправить под свой компьютер: откроем его в текстовом редакторе.
Набираем в командной строке
~$ dmesg | grep tty
чтобы увидеть все последовательные порты ПК.
и после набора...
~$ setserial -g /dev/ttyS
мы узнаем путь к нашему 232-му порту. Если система ругается на setserial, установим его
~$ sudo apt-get install setserial
мы узнаем путь к нашему физическому порту (например, у меня - /dev/ttyS0). Теперь нужно записать этот путь в файл скрипта stm32loader.py вместо дефолтного «/dev/tty.usbserial-...». Набираем в терминале
~$ python stm32loader.py -h
...для вызова справки и заливаем прошивку в наш контроллер.

2 способ:
Через USB OTG, используя DFU-режим, требует внешнего кварца на 8 МГц, 14.7456 МГц или 25 МГц (этот загрузчик есть не у всех контроллерах с USB OTG надо внимательно смотреть на маркировку вашего контроллера)

3 способ:
JTAG/SWD. Ну и для тех, кто имеет демоплату типа Discovery или самопальный JTAG/SWD программатор, можно заливать код и уже отлаживать свой микроконтроллер этим способом. Для JTAG в микроконтроллере отведено 6 лапок (TRST, TDI, TMS, TCK, TDO, RST) + 2 на питание. SWD использует 4 сигнала (SWDIO, SWCLK SWO, RESET) и 2 на питание.

PS. В среде EAGLE я набросал несколько схем-заготовок для 48-ми, 64-х и 100-ногих контроллеров (папка eagle), а stm32loader содержит скрипт stm32loader.py

Начало знакомства с любой вещью лучше всего начинать с инструкции. В некоторых случаях ясно все и так, в других — «хм, ничего не работает, похоже все-таки надо почитать инструкцию». Микроконтроллеры — устройства достаточно сложные, и без прочтения документации с ними уж точно ничего полезного не сделаешь, хотя…

После каких-нибудь AVR-ок, можно испытать легкий шок от количества разных PDF-ок на микроконтроллеры STM32. Куда глядеть первым делом? Как этим пользоваться? Что ваще происходит?? С первого взгляда ни чего не понятно. Поэтому я решил сделать небольшой обзор мира документации на эти замечательные микроконтроллеры. Особый упор буду делать на STM32F103C8T6, так как далее планирую написать несколько уроков по использованию именно этого камушка.

Основными документами на STM-ки являются следующие:

1. Datasheet
2. Reference manual
3. Programming Manual
4. Errata Sheet

Datasheet

Datasheet содержит в себе информацию о наличии определенной периферии в конкретном МК, цоколевке, электрических характеристиках и маркировке чипов для STM32F103x8 и STM32F103xB, то есть для вот этих, которые обведены красным прямоугольником:

Некисло, один даташит на 8 микроконтроллеров.

Основное в Datasheet-е

В первую очередь нужно обратить внимание на раздел 7. Ordering information scheme , в котором указано, то обозначает каждый символ в маркировке. Например, для STM32F103C8T6: корпус LQFP-48, 64Кб flash-а, температурный диапазон –40 to 85 °C.

Основное различие между микроконтроллерами из разных колонок в количестве ножек и объеме флеша, остальное все одинаково. Небольшое исключение составляет первая колонка версий Tx : в этих микроконтроллерах поменьше модулей SPI, I2C и USART-ов. Нумерация периферии идет с единицы: то есть, если в STM32F103Cx у нас 2 SPI, то они имеют имена SPI1 и SPI2, а в STM32F103Tx у нас только SPI1. Так как Datasheet у нас на микроконтроллеры STM32F103x8 и STM32F103xB, то эта таблица справедлива только для этих моделей. К примеру STM32F103C8 или STM32F103CB соответствуют этой таблице, а STM32F103C6 нет, для него есть отдельный даташит.

В разделе 2.2 Full compatibility throughout the family говорится о том, что устройства STM32F103xx являются программно, функционально и pin-to-pin (для одинаковых корпусов) совместимыми.

В reference manual-е есть разделение на следующие «виды» микроконтроллеров: STM32F103x4 и STM32F103x6 обозначены как low-density devices , STM32F103x8 и STM32F103xB как medium-density devices , STM32F103xC, STM32F103xD и STM32F103xE как high-density devices . В устройствах Low-density devices меньше Flash и RAM памяти, таймеров и периферийных устройств. High-density devices имеют больший объем Flash и RAM памяти, а так же имеют дополнительную периферию, такую как SDIO, FSMC, I2S и DAC, при этом оставаясь полностью совместимыми с другими представителями семейства STM32F103xx. То есть, если на каком-то этапе разработки стало ясно, что выбранного микроконтроллера не хватает для реализации всех возможностей, то можно безболезненно выбрать более навороченный камень без необходимости переписывать весь существующий софт, при этом, если новый камень будет в том же корпусе, то отпадает необходимость заново разводить печатную плату.

Reference manual

Поехали далее. Reference manual (справочное руководство) содержит подробное описание всей периферии, регистров, смещений, и так далее. Это основной документ, который используется при создании прошивки под микроконтроллер. Reference manual составлен для большой группы микроконтроллеров, в нашем случае для всех STM32F10xxx, а именно STM32F101xx, STM32F102xx, STM32F103xx и STM32F105xx/STM32F107xx. Но STM32F100xx не входят в этот RM, для них есть свой.

Главное в Reference manual-е

Как было сказано выше, в reference manual-е есть разделение на следующие «виды» микроконтроллеров: low-, medium-, high-density и connectivity
line. В 2.3 Glossary разъяснено, кто есть кто:

• Low-density devices это STM32F101xx, STM32F102xx и STM32F103xx микроконтроллеры, у которых размер Flash-памяти находится между 16 и 32 Kbytes.
• Medium-density devices это STM32F101xx, STM32F102xx and STM32F103xx, размер флеш-памяти между 64 и 128 Kbytes.
• High-density devices это STM32F101xx и STM32F103xx, размер флеш-памяти между 256 и 512 Kbytes.
• XL-density devices это STM32F101xx и STM32F103xx, размер флеш-памяти между 768 Kbytes и 1 Mbyte.
• Connectivity line devices это микроконтроллеры STM32F105xx и STM32F107xx.

Наш STM32F103C8T6 является Medium-density device-ом. Это будет полезно знать при изучении периферии, например, есть отдельные разделы про RCC для Low-, medium-, high- and XL-density устройств, и Connectivity line devices.

Programming Manual

Programming Manual не является документом первой необходимости в самом начале знакомства с STM-ми, однако является очень важным при углубленном изучении этих микроконтроллеров. Он содержит информацию о процессорном ядре, системе команд и периферии ядра. Причем это не та же самая периферия, которая описана в Reference manual-е. В нее входят:

• System timer — системный таймер
• Nested vectored interrupt controller — контроллер приоритетных прерываний
• System control block
• Memory protection unit

Как только мы начнем знакомится с прерываниями в STM32, нам понадобится раздел 4.3 Nested vectored interrupt controller (NVIC) . Ну и системный таймер является очень прикольной вещью, который будет полезен в каких-нибудь RTOS или для создания программных таймеров.

Errata Sheet

Errata Sheet — сборник всех известных аппаратных глюков и косяков микроконтроллеров и советов, как их обойти. Довольно веселый документ 🙂 Перед использованием какой-либо периферии, советую суда заглянуть. Это может помочь сократить количество потерянных нервных клеток при отладке своей чудо-прошивки, которая ни как не хочет работать 🙂

Вводная статья курса уроков по программированию микроконтроллеров STM32.

Этой статьей начинаю цикл уроков, посвященных программированию микроконтроллеров STM32.

Тема очень интересная, по популярности может превзойти ”Уроки Ардуино”. В принципе, это в какой-то степени продолжение или расширение ” ”. По крайней мере, я собираюсь постоянно ссылаться на статьи из этой рубрики, проводить аналогию между ними и уроками STM32.

Я не призываю бросать программировать на Ардуино и переходить только на STM32. Но есть задачи, которые на Ардуино выполнить невозможно или намного сложнее. Да и разве плохо уметь создавать системы, устройства на обоих типах микроконтроллеров.

Язык программирования в принципе один и тот же. Тем более одинаковы аппаратные компоненты, подключаемые к контроллеру: кнопки, светодиоды, дисплеи, модули проводных и беспроводных технологий связи и т.п.

Много информации уже есть на сайте. Например, зачем мне заново рассказывать про технологию клиент-сервер, если в рубрике ”Уроки Ардуино” есть статья об этом.

Контроллеры STM32 значительно превосходят по техническим характеристикам платы Ардуино на 8 разрядных микроконтроллерах ATmega328, ATmega2560 и т.п. У них более высокая производительность, больше объем памяти, периферийные устройства разнообразнее по функциям, номенклатуре, количеству. STM32 позволяют реализовывать значительно более сложные задачи, чем платы Ардуино.

Несмотря на вышесказанное я считаю, что программировать STM32 не сложнее, чем Ардуино. По крайней мере, я собираюсь так преподнести материал. Хотя объем информации будет больше.

Уроки рассчитаны как на опытных программистов, изучающих STM32, так и на людей, делающих первые шаги в программировании. Т.е. я собираюсь приводить строгую информацию и сопровождать ее подробными пояснениями. Для второй категории читателей я буду давать ссылки на аналогичные темы в ”Уроках Ардуино”. Не хочется одно и то же ”разжевывать” несколько раз.

Буду преподносить оптимальный с моей точки зрения подход к программированию STM32. Кто-то может с ним не согласиться.

Итак. Я ставлю цель:

• научить вас практическому программированию микроконтроллеров STM32;
• расширить ваши знания в области программирования на языке C++, конечно у кого их не хватает;
• представить строгую техническую информацию о контроллерах STM32 на русском языке;
• какая-то часть уроков будет посвящена аппаратной части, подключаемой к микроконтроллеру.

Общие сведения о микроконтроллерах семейства STM32.

Возможности контроллеров STM32 потрясают! По крайней мере, меня.

Плата с микроконтроллером STM32F103C8T6 по стоимости сопоставима с ценой плат Ардуино на базе ATmega328 и значительно дешевле плат типа Arduino Mega2560.

По она стоит всего 175 руб.

Но по техническим характеристикам! Что стоит только сравнение разрядности обрабатываемых данных. 32 против 8!

У меня ощущение, что я сравниваю Ардуино не с маленькой дешевой платой, а с дорогим монстрообразным 32 разрядным контроллером. Судите сами.

Параметры	STM32F103C8T6	Arduino Nano
Разрядность	32 бит	8 бит
Частота	72 мГц	16 мГц
Объем FLASH	64 кБайт	32 кБайт
Объем ОЗУ	20 кБайт	2 кБайт
Число выводов	37	22
Аппаратное умножение и деление	Есть, 32 разряда	Только умножение, 8 разрядов
АЦП	2 АЦП, 12 разрядов, 10 входов, 1 мкс время преобразования	10 разрядов, 8 входов, 100 мкс время преобразования
Контроллеры прямого доступа к памяти	7 каналов	нет
Таймеры	7	3
UART	3 (выше скорость, больше режимов)	1
I2C	2	1
SPI	2	1
USB	1	нет
CAN	1	нет
Часы реального времени	есть	нет
Модуль аппаратного расчета CRC кода	есть	нет

К этому можно бесконечно добавлять с приставкой ”гораздо более мощные, совершенные, функциональные”: система прерываний, порты ввода-вывода, коммуникационные интерфейсы и т.п.

И это еще далеко не самый мощный вариант STM32. У меня есть плата STM32F407VET6 с частотой 210 мГц и АЦП со скоростью преобразования до 7,2 миллионов выборок в секунду. Собираюсь на ней сделать динамическую подсветку телевизора, т.е. обрабатывать видеосигнал.

Техническая документация.

Микроконтроллер STM32 – популярная и очень востребованная платформа, позволяющая создавать профессиональные решения для автоматизации в самых . В отличие от доступного Arduino, STM32 требует более глубокого погружения в детали, она сложнее для начинающих, для нее меньше учебников на русском. В этой статье мы постараемся дать базовую информацию о платформе, ее истории, подскажем, где можно скачать программы и библиотеки, как написать первый скетч.

STM32 – это платформа, в основе которой лежат микроконтроллеры STMicroelectronics на базе ARM процессора, различные модули и периферия, а также программные решения (IDE) для работы с железом. Решения на базе stm активно используются благодаря производительности микроконтроллера, его удачной архитектуре, малом энергопотреблении, небольшой цене. В настоящее время STM32 состоит уже из нескольких линеек для самых разных предназначений.

История появления

Серия STM32 была выпущена в 2010 году. До этого компанией STMicroelectronics уже выпускались 4 семейства микроконтроллеров на базе ARM, но они были хуже по своим характеристикам. Контроллеры STM32 получились оптимальными по свойствам и цене. Изначально они выпускались в 14 вариантах, которые были разделены на 2 группы – с тактовой частотой до 2 МГц и с частотой до 36 МГц. Программное обеспечение у обеих групп одинаковое, как и расположение контактов. Первые изделия выпускались со встроенной флеш-памятью 128 кбайт и ОЗУ 20 кбайт. Сейчас линейка существенно расширилась, появились новые представители с повышенными значениями ОЗУ и Flash памяти.

Достоинства и недостатки STM32

Основные преимущества:

• Низкая стоимость;
• Удобство использования;
• Большой выбор сред разработки;
• Чипы взаимозаменяемы – если не хватает ресурсов одного микроконтроллера, его можно заменить на более мощной, не меняя самой схемы и платы;
• Высокая производительность;
• Удобная отладка микроконтроллера.

Недостатки:

• Высокий порог вхождения;
• На данный момент не так много литературы по STM32;
• Большинство созданных библиотек уже устарели, проще создавать свои собственные.

Минусы STM32 не дают пока микроконтроллеру стать заменой Ардуино.

По техническим характеристикам Ардуино проигрывает STM32. Тактовая частота микроконтроллеров Ардуино ниже – 16 МГц против 72 МГц STM32. Количество выводов GRIO у STM32 больше. Объем памяти у STM32 также выше. Нельзя не отметить pin-to-pin совместимость STM32 – для замены одного изделия на другое не нужно менять плату. Но полностью заменить ардуино конкуренты не могут. В первую очередь это связано с высоким порогом вхождения – для работы с STM32 нужно иметь базис. Платы Ардуино более распространены, и, если у пользователя возникает проблема, найти решение можно на форумах. Также для Ардуино созданы различные шилды и модули, расширяющие функционал. Несмотря на преимущества, по соотношению цена/качество выигрывает STM32.

Семейство микроконтроллеров STM32 отличается от своих конкурентов отличным поведением при температурах от -40С до +80 С. Высокая производительность не уменьшается, в отличие от Ардуино. Также можно найти изделия, работающие при температурах до 105С.

Обзор продуктовых линеек

Семейство STM32 имеет широкий ассортимент изделий, различающихся по объему памяти, производительности, потреблению энергии и другим характеристикам.

Серии STM32F-1, STM32F-2 и STM32L полностью совместимы. Каждая из серий имеет десятки микросхем, которые можно без труда поменять на другие изделия. STM32F-1 была первой линейкой, ее производительность была ограничена. Из-за этого по характеристикам контроллеры быстро догнали изделия семейства Stellaris и LPC17. Позднее была выпущена STM32F-2 с улучшенными характеристиками – тактовая частота достигала 120 МГц. Отличается высокой процессорной мощностью, которая достигнута благодаря новой технологии производства 90 нм. Линейка STM32L представлена моделями, которые изготовлены по специальному технологическому процессу. Утечки транзисторов минимальны, благодаря чему приборы показывают лучшие значения.

Важно отметить, что контроллеры линейки STM32W не имеют pin-to-pin совместимости с STM32F-1, STM32F-2 и STM32L. Причина заключается в том, что линейку разрабатывала компания, которая предоставила радиочастотную часть. Это наложило ограничения на разработку для компании ST.

Микросхема STM32F100R4 имеет минимальный набор функций. Объем флэш памяти составляет 16 Кбайт, ОЗУ – 4 Кбайт, тактовая частота составляет 12 МГц. Если требуется более быстрое устройство с увеличенным объемом флэш-памяти до 128 Кбайт, подойдет STM32F101RB. USB интерфейс имеется у изделия STM32F103RE. Существует аналогичное устройство, но с более низким потреблением – это STM32L151RB.

Программное обеспечение для работы с контроллером

Для ARM архитектуры разработано множество сред разработки. К самым известным и дорогостоящим относятся инструменты фирм Keil и IAR System. Программы этих компаний предлагают самые продвинутые инструментарии для оптимизации кода. Также дополнительно существуют различные системы – USB стеки, TCP/IP-стеки и прочие. Применяя системы Keil, пользователь получает хороший уровень технической поддержки.

Также для STM32 используется среда разработки Eclipse и построенные на ней системы Atollic TrueStudio (платная) и CooCox IDE (CoIDE) (бесплатная). Обычно используется последняя. Ее преимущества перед другими средами разработки:

• Свободно распространяемое программное обеспечение;
• Удобство использования;
• Имеется много примеров, которые можно загрузить.

Единственный недостаток среды разработки CooCox IDE – сборка есть только под Windows.

Начать изучение микроконтроллера STM32 лучше с платы Discovery. Это связано с тем, что на этой плате есть встроенный программатор. Его можно подключить к компьютеру через USB кабель и использовать как в качестве программируемого микроконтроллера, так и для внешних устройств. Плата Discovery имеет полную разводку пинов с контроллера на пины платы. На плату можно подключать различные сенсоры, микрофоны и другие периферийные устройства.

Что потребуется для подключения STM32 к компьютеру

Чтобы начать работу, потребуются следующие компоненты:

• Сама плата STM32 Discovery;
• Datasheet на выбранную модель;
• Reference manual на микроконтроллер;
• Установленная на компьютер среда разработки.

В качестве примера первая программа будет рассмотрена в среде CooCox IDE.

Первая программа

CooCox CoIDE

Обучение следует начинать с простейшего – с Hello World. Для начала нужно установить CooCox IDE на компьютер. Установка стандартная:

• Скачивается программа с официального сайта;
• Там нужно ввести адрес своей электронной почты и начать загрузку файла с расширением.exe;
• Нужно открыть CooCox IDE вкладку Project, Select Toolchain Path;
• Указать путь к файлу;
• Снова открыть среду разработки и нажать View -> Configuration на вкладку Debugger;
• Теперь можно записывать программу.

Когда программа установлена, ее нужно открыть. Следует перейти во вкладку Browse in Repository и выбрать ST – свой микроконтроллер.

Далее на экране появится список библиотек, которые можно подключить. Для первой программы потребуются системные CMSIS core и CMSIS Boot, библиотека для работы с системой тактирования RCC, GPIO для работами с пинами.

Сама программа пишется как и для Ардуино, нужно знать основы языка Си.

В окошке Project следует открыть main.c. В коде в самом начале следует подключить библиотеки кроме CMSIS (они уже автоматически подключены). Добавляются они следующим образом:

#include "stm32f10x_gpio.h" #include "stm32f10x_rcc.h". //Для мигания светодиодом нужно задать задержку: void Delay(int i) { for (; i != 0; i--); }

Затем добавляется тактирование порта в главной функции main. Какой контакт за что ответственен, можно просмотреть в даташите к микроконтроллеру.

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC , ENABLE);

Для настройки параметров выводов следует прописать ее название и поставить точку. Во всплывающем меню будут указаны все характеристики. Их можно исправлять.

После этого нужно сделать зацикливание в while, чтобы светодиод мигал, пока не отключится питание.

Когда программа написана, ее можно загружать в контроллер. Если есть отладочная плата, ее нужно подключить через USB кабель и нажать Download Code To Flash. Если плата отсутствует, потребуется переходник, который нужно подключить к порту компьютера. Контакт BOOT 0 подключается к плюсу питания контроллера, а затем включается само питание МК. После этого начнется прошивка.

Чтобы загрузить программу в микроконтроллер, нужно следовать указаниям от приложения. Сначала прописывается код порта, к которому подключен микроконтроллер. Также указывается скорость. Советуется брать небольшое значение, чтобы не было сбоев. Программа найдет микроконтроллер, и нужно будет нажать кнопку «далее». Во вкладке Download to device нужно в поле Download from file выбрать написанную программу и нажать «далее».

После этого нужно отключить питание контроллера STM32, закрыть Flash Loader Demonstrator, выключить переходник. Теперь можно снова включить микроконтроллер в обычном режиме. Когда программа будет загружена, светодиод начнет мигать.

Работа в других программах проходит подобным образом. Также выбираются нужные библиотеки, и прописывается код. У платных утилит функционал больше, и можно создавать более сложные проекты.

В последние годы 32 разрядные микроконтроллеры (МК) на основе процессоров ARM стремительно завоёвывают мир электроники. Этот прорыв обусловлен их высокой производи тельностью, совершенной архитектурой, малым потреблением энергии, низкой стоимостью и развитыми средствами программирования.

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ
Название ARM является аббревиатурой Advanced RISC Machines, где RISC (Reduced Instruction Set Computer) обозначает архитектуру процессоров с сокращённым набором команд. Подавляющее число популярных МК, а пример семейства PIC и AVR, также имеют архитектуру RISC, которая позволила увеличить быстродействие за счёт упрощения декодирования инструкций и ускорения их выполнения. Появление совершенных и производительных 32 разрядных ARMмикроконтроллеров позволяет перейти к решению более сложных задач, с которыми уже не справляются 8 и 16 разрядные МК. Микропроцессорная архитектура ARM с 32 разрядным ядром и набором команд RISC была разработана британской компанией ARM Ltd, которая занимается исключительно разработкой ядер, компиляторов и средств отладки. Компания не производит МК, а продаёт лицензии на их производство. МК ARM – один из быстро развивающихся сегментов рынка МК. Эти приборы используют технологии энергосбережения, поэтому находят широкое применение во встраиваемых системах и доминируют на рынке мобильных устройств, для которых важно низкое энергопотребление. Кроме того, ARM микроконтроллеры активно применяются в средствах связи, портативных и встраиваемых устройствах, где требуется высокая производительность. Особенностью архитектуры ARM является вычислительное ядро процессора, не оснащённое какими либо дополнительными элементами. Каждый разработчик процессоров должен самостоятельно до оснастить это ядро необходимыми блоками под свои конкретные задачи. Такой подход хорошо себя зарекомендовал для крупных производителей микросхем, хотя изначально был ориентирован на классические процессорные решения. Процессоры ARM уже прошли несколько этапов развития и хорошо известны семействами ARM7, ARM9, ARM11 и Cortex. Последнее делится на подсемейства классических процессоров CortexA, процессоров для систем реального времени CortexR и микропроцессорные ядра CortexM. Именно ядра CortexM стали основой для разработки большого класса 32 разрядных МК. От других вариантов архитектуры Cortex они отличаются, прежде всего, использованием 16разрядного набора инструкций Thumb2. Этот набор совмещал в себе производительность и компактность «классических» инструкций ARM и Thumb и разрабатывался специально для работы с языками С и С++, что существенно повышает качество кода. Большим достоинством МК, построенных на ядре CortexM, является их программная совместимость, что теоретически позволяет использовать программный код на языке высокого уровня в моделях разных производителей. Кроме обозначения области применения ядра, разработчики МК указывают производительность ядра CortexM по десятибалльной шкале. На сегодняшний день самыми популярными вариантами являются CortexM3 и CortexM4. МК с архитектурой ARM производят такие компании, как Analog Devices, Atmel, Xilinx, Altera, Cirrus Logic, Intel, Marvell, NXP, STMicroelectronics, Samsung, LG, MediaTek, MStar, Qualcomm, SonyEricsson, Texas Instruments, nVidia, Freescale, Миландр, HiSilicon и другие.
Благодаря оптимизированной архитектуре стоимость МК на основе ядра CortexM в некоторых случаях даже ни же, чем у многих 8разрядных приборов. «Младшие» модели в настоящее время можно приобрести по 30 руб. за корпус, что создаёт конкуренцию предыдущим поколениям МК. МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ STM32 Рассмотрим наиболее доступный и широко распространённый МК семейства STM32F100 от компании STMicroelectronics , которая является одним из ведущих мировых производителей МК. Недавно компания объявила о начале производства 32битного МК, использующего преимущества индустриального
ядра STM32 в недорогих приложениях. МК семейства STM32F100 Value line предназначены для устройств, где не хватает производительности 16разрядных МК, а богатый функционал «обычных» 32разрядных приборов является избыточным. Линейка МК STM32F100 базируется на современном ядре ARM CortexM3 с периферией, оптимизированной для применения в типичных приложениях, где использовались 16разрядные МК. Производительность МК STM32F100 на тактовой частоте 24 МГц превосходит большинство 16разрядных МК. Данная линейка включает приборы с различными параметрами:
● от 16 до 128 кбайт флэшпамяти программ;
● от 4 до 8 кбайт оперативной памяти;
● до 80 портов ввода вывода GPIO;
● до девяти 16разрядных таймеров с расширенными функциями;
● два сторожевых таймера;
● 16канальный высокоскоростной 12разрядный АЦП;
● два 12разрядных ЦАП со встроенными генераторами сигналов;
● до трёх интерфейсов UART с поддержкой режимов IrDA, LIN и ISO7816;
● до двух интерфейсов SPI;
● до двух интерфейсов I2С с поддержкой режимов SMBus и PMBus;
● 7канальный блок прямого доступа к памяти (DMA);
● интерфейс CEC (Consumer Electronics Control), включённый в стандарт HDMI;
● часы реального времени (RTC);
● контроллер вложенных прерываний NVIC.

Функциональная схема STM32F100 представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Архитектура МК линейки STM32F100

Дополнительным удобством является совместимость приборов по выводам, что позволяет, при необходимости, использовать любой МК семейства с большей функциональностью и памятью без переработки печатной платы. Линейка контроллеров STM32F100 производится в трёх типах корпусов LQFP48, LQFP64 и LQFP100, имеющих, соответственно, 48, 64 и 100 выводов. Назначение выводов представлено на рисунках 2, 3 и 4. Такие корпуса можно устанавливать на печатные платы без применения специального оборудования, что является весомым фактором при мелкосерийном производстве.

Рис. 2. МК STM32 в корпусе LQFP48 Рис. 3. МК STM32 в корпусе LQFP64

Рис. 4. МК STM32 в корпусе LQFP100

STM32F100 – доступный и оптимизированный прибор, базирующийся на ядре CortexM3, поддерживается развитой средой разработки МК семейства STM32, которая содержит
бесплатные библиотеки для всей пе риферии, включая управление двига телями и сенсорными клавиатурами.

СХЕМА ВКЛЮЧЕНИЯ STM32F100C4
Рассмотрим практическое использование МК на примере самого простого прибора STM32F100C4, который, тем не менее, содержит все основные блоки линейки STM32F100. Принципиальная электрическая схема включения STM32F100C4 представлена на рисунке 5.


Рис. 5. Схема включения МК STM32F100C4

Конденсатор С1 обеспечивает сброс МК при включении питания, а конденсаторы С2-С6 фильтруют напряжение питания. Резисторы R1 и R2 ограничивают сигнальный ток выводов МК. В качестве источника тактовой частоты используется внутренний генератор, поэтому нет необходимости применять внешний кварцевый резонатор.


Входы BOOT0 и BOOT1 позволяют выбрать способ загрузки МК при включении питания в соответствии с таб лицей. Вход BOOT0 подключён к шине нулевого потенциала через резистор R2, который предохраняет вывод BOOT0 от короткого замыкания при его использовании в качестве выход ного порта PB2. С помощью соединителя J1 и одной перемычки можно из менять потенциал на входе BOOT0, определяя тем самым способ загрузки МК – из флэшпамяти или от встроенного загрузчика. При необходимости загрузки МК из оперативной памяти аналогичный соединитель с перемычкой можно подключить и к входу BOOT1.
Программирование МК осуществляется через последовательный порт UART1 или через специальные программаторы – отладчики JTAG или STLink. Последний входит в состав популярного отладочного устройства STM32VLDISCOVERY , изображённого на рисунке 6. На плате STM32VLDIS COVERY 4контактный разъём программатора – отладчика STLink – имеет обозначение SWD. Автор статьи предлагает программировать МК через последовательный порт UART1, поскольку это значительно проще, не требует специального оборудования и не уступает в скорости JTAG или ST Link. В качестве управляющего устройства, способного формировать команды и отображать результаты работы про граммы МК, а также в качестве программатора можно использовать любой персональный компьютер (ПК), имеющий последовательный COM порт или порт USB с преобразователем USBRS232.

Для сопряжения COMпорта ПК с МК подойдет любой преобразователь сиг налов RS232 в уровни логических сигналов от 0 до 3,3 В, например, микросхема ADM3232. Линия передачи TXD последовательного порта компьютера, после преобразователя уровней, должна подключаться к входу PA10 микроконтроллера, а линия приёмника RXD, через аналогичный преобразователь, – к выходу PA9.

При необходимости использования энергонезависимых часов МК, к нему следует подключить элемент питания типа CR2032 с напряжением 3 В и кварцевый резонатор на частоту 32768 Гц. Для этого МК оснащён выводами Vbat/GND и OSC32_IN/OSC32_OUT. Предварительно вывод Vbat необходимо отключить от шины питания 3,3 В.

Оставшиеся свободными выводы МК можно использовать по необходимости. Для этого их следует подключить к разъёмам, которые расположены по периметру печатной платы для МК, по аналогии с популярными устройствами Arduino и отладочной платой STM32VLDISCOVERY .


Рис. 6. Отладочное устройство STM32VLDISCOVERY

Схема электрическая принципиальная STM32VLDISCOVERY.

Таким образом, в зависимости от назначения и способа применения МК, к нему можно подключать необходимые элементы, чтобы задействовать другие функциональные блоки и пор ты, например, ADC, DAC, SPI, I2C и т.п. В дальнейшем эти устройства будут рас смотрены подробнее.

ПРОГРАММИРОВАНИЕ
Сегодня многие компании предлагают средства для создания и отладки программ микроконтроллеров STM32. К их числу относятся Keil от ARM Ltd, IAR Embedded Workbench for ARM, Atol lic TrueStudio, CooCox IDE, GCC и Eclipse IDE. Разработчик может выбрать про граммные средства по своему пред почтению. Ниже будет описан инструментарий Keil uVision 4 от компании Keil , который поддерживает огромное число типов МК, имеет развитую систему отладочных средств и может быть использован бесплатно с ограничениями размера генерируемого кода 32 кбайт (что, фактически, максимально для рассматриваемых МК).

Простой и быстрый старт с CooCox CoIDE.

Итак приступим. Идем на официальный сайт CooCox и качаем последнюю версию CooCox CoIDE . Для скачивания необходимо зарегистрироваться, регистрация простая и бесплатная. Затем инсталлируем скачанный файл и запускаем.

CooCox CoIDE — среда разработки, на базе Eclipse, которая помимо STM32 поддерживает кучу других семейств микроконтроллеров: Freescale, Holtek, NXP, Nuvoton, TI, Atmel SAM, Energy Micro и др. С каждой новой версией CoIDE список МК постоянно пополняется. После успешной установки CoIDE запускаем:

Появится стартовое окно Step 1, в котором необходимо выбрать производителя нашего микроконтроллера. Нажимаем ST и переходим к Step 2 (выбор микроконтроллера), в котором необходимо выбрать конкретную модель. У нас STM32F100RBT6B, поэтому нажимаем на соответствующую модель:

Справа, в окне Help отображаются краткие характеристики каждого чипа. После выбора нужного нам микроконтроллера переходим к третьему шагу Step 3 — к выбору необходимых библиотек для работы:

Давайте создадим простейший проект для мигания светодиодом, как это принято для изучения микроконтроллеров.

Для этого нам понадобится библиотека GPIO, при включении которой, CoIDE попросит создать новый проект. На это предложение нажимаем Yes, указываем папку где будет храниться наш проект и его название. При этом, CoIDE подключит к проекту 3 другие, необходимые для работы библиотеки, а также создаст всю необходимую структуру проекта:

Чем еще хорош CoIDE, это тем, что в нем есть возможность загружать примеры прямо в среду разработки. В вкладке Components вы можете видеть, что почти к каждой библиотеке есть примеры, нажимаем на GPIO (with 4 examples) и видим их:

Туда можно добавлять и свои примеры. Как видно на скриншоте выше, в примерах уже присутствует код для мигания светодиодом GPIO_Blink. Можно нажать кнопку add и он добавиться в проект, но как подключаемый файл, поэтому мы сделаем по другому просто скопируем весь код примера в файл main.c. Единственное, строку void GPIO_Blink(void) замените на int main(void). Итак, нажимаем F7 (или в меню выбираем Project->Build), чтобы скомпилировать проект и… не тут то было!

Среде нужен компилятор GCC, а у нас его нет. Поэтому идем на страничку GNU Tools for ARM Embedded Processors , справа выбираем тип вашей ОС и качаем последнюю версию тулчайна. Затем запускаем файл и инсталируем gcc toolchain. Далее, в настройках CoIDE укажем правильный путь к тулчайну:

Опять нажимаем F7 (Project->Build) и видим, что компиляция прошла успешно:

Осталось прошить микроконтроллер. Для этого при помощи USB подключаем нашу плату к компьютеру. Затем, в настройках дебаггера необходимо поставить ST-Link, для этого в меню выбираем Project->Configuration и открываем вкладку Debugger. В выпадающем списке выбираем ST-Link и закрываем окно:

Попробуем прошить МК. В меню выбираем Flash->Program Download (или на панели инструментов щелкаем по соответствующей иконке) и видим, что МК успешно прошит:

На плате наблюдаем мигающий светодиод, видео или фото я думаю приводить нет смысла, т.к. все это видели.

Также, в CoIDE работают различные режимы отладки, для этого нажимаем CTRL+F5 (или в меню Debug->Debug):

На этом все. Как видите, настройка среды CoIDE и работа с ней очень проста. Надеюсь данная статья подтолкнет вас в изучении очень перспективных и недорогих микроконтроллеров STM32.