Быстрое освоение микроконтроллеров STM32

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 [1], 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.

blokshema
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.

48_64
Рис. 2. МК STM32 в корпусе LQFP48 Рис. 3. МК STM32 в корпусе LQFP64

lqfp100
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.
shemavkl
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.
boot
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 [2], 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 [2].
STM32VLDISCOVERY
Рис. 6. Отладочное устройство STM32VLDISCOVERY

stm32vldiscovery_el
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 [3], 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:

CoIDE - выбор производителя

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:

CoIDE - выбор чипа

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:

CoIDE - выбор библиотек

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:

CoIDE - создание 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:

CoIDE - готовые примеры

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!

GCC Tool Chain

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:

GCC Tool Chain Path

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

Компиляция проекта

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:

Компиляция проекта

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

Прошивка МК

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):

Отладка в CoIDE

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.

Источник: Современная электроника ◆ № 5 2013

Быстрое освоение микроконтроллеров STM32: 2 комментария

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *