第2章 STM32F4嵌入式微控制器

第2章STM32F4嵌入式微控制器2.1STM32微控制器概述STM32是意法半导体（STMicroelectronics）较早推向市场的基于Cortex-M内核的微处理器系列产品，该系列产品具有成本低、功耗优、性能高、功能多等优势，并且以系列化方式推出，方便用户选型，在市场上获得了广泛好评。STM32目前常用的有STM32F103～107系列，简称“1系列”，最近又推出了高端系列STM32F4xx系列，简称“4系列”。前者基于Cortex-M3内核，后者基于Cortex-M4内核。STM32F4xx系列在以下诸多方面做了优化：（1）增加了浮点运算；（2）DSP处理；（3）存储空间更大，高达1M字节以上；（4）运算速度更高，以168MHz高速运行时可达到210DMIPS的处理能力；（5）更高级的外设，新增外设，例如，照相机接口、加密处理器、USB高速OTG接口等，提高性能，更快的通信接口，更高的采样率，带FIFO的DMA控制器。市场上常见的Cortex-M3MCU包括意法半导体STM32F103、德州仪器LM3S8000和恩智浦LPC1788，应用广泛于工业控制、消费电子和智能家居等领域。意法半导体成立于1987年，全球第五大半导体厂商，领先推出基于Cortex-M内核的STM32系列MCU，具低成本、低功耗和高性价比优势。STM32系列微控制器适合的应用：替代绝大部分8/16位MCU的应用，替代目前常用的32位MCU（特别是ARM7）的应用，小型操作系统相关的应用以及简单图形和语音相关的应用等。STM32系列微控制器不适合的应用有：程序代码大于1MB的应用，基于Linux或Android的应用，基于高清或超高清的视频应用等。2.1.1STM32微控制器产品线STM32系列微控制器的产品线包括高性能类型、主流类型和超低功耗类型三大类，分别面向不同的应用，其具体产品系列如图2-1所示。图2-1STM32产品线图1. STM32F1系列（主流类型）STM32F1系列基于Cortex-M3内核，具高性能、低功耗、高集成度，满足工业、医疗和消费需求，助ST成为全球领先厂商。STM32F1系列微控制器包含以下5个产品线，它们的引脚、外设和软件均兼容。1）STM32F100，超值型，24MHzCPU，具有电机控制功能。2）STM32F101，基本型，36MHzCPU，具有高达1MB的Flash。3）STM32F102，USB基本型，48MHzCPU，具备USBFS。4）STM32F103，增强型，72MHzCPU，具有高达1MB的Flash、电机控制、USB和CAN。5）STM32F105/107，互联型，72MHzCPU，具有以太网MAC（介质访问控制，MediaAccessControl）、CAN和USB2.0OTG。2.STM32F4系列（高性能类型）STM32F4基于Cortex-M4内核，90nm工艺，180MHz频率，性能达225DMIPS，动态功耗调整使电流消耗128~260μA/MHz。STM32F4系列包括8条互相兼容的数字信号控制器（DigitalSignalController，DSC）产品线，是MCU实时控制功能与DSP信号处理功能的完美结合体。1）STM32F401，84MHzCPU/105DMIPS，小尺寸低成本，具卓越功耗效率。2）STM32F410，100MHz/125DMIPS，智能DMA，低功耗定时器，停机89μA/MHz。3）STM32F411，100MHz/125DMIPS，大SRAM，智能DMA，优化批处理功耗。4）STM32F405/415，168MHz/210DMIPS，1MB闪存，支持先进连接和加密。5）STM32F407/417，168MHz/210DMIPS，1MB闪存，具以太网MAC和相机接口。6）STM32F446，180MHz/225DMIPS，512KB闪存，支持DualQuadSPI和SDRAM。7）STM32F429/439，180MHz/225DMIPS，2MB双区闪存，含SDRAM与Chrom-ART。8）STM32F427/437，180MHz/225DMIPS，2MB闪存，配备Chrom-ART和音频接口。9）STM32F469/479，180MHz/225DMIPS，2MB闪存，带SDRAM、QSPI及多种接口。在微控制器选型过程中，工程师常常会陷入这样一个困局：一方面抱怨8位/16位微控制器有限的指令和性能，另一方面抱怨32位处理器的高成本和高功耗。能否有效地解决这个问题，让工程师不必在性能、成本、功耗等因素中做出取舍和折中？（1）STM32于2007年基于Cortex-M3，计算能力1.25DMIPS/MHz，性能优于ARM7TDMI。（2）STM32具双12位ADC，UART4Mbit/s，SPI18Mbit/s，功耗低，性能稳定。（3）选型根据需求，轻量应用用STM32F1，重运算及数字信号用STM32F4。2.1.2STM32微控制器的选型（4）STM32F1细分产品线，选择依据功能需求，如USB、CAN或网络通信模块。（5）具体型号选取依引脚数和FLASH容量。国产ARM微控制器市场占有率逐步提升。（1）兆易创新成立于2005年，专注FLASH和32位MCU，产品高性能低功耗，涵盖工业、汽车等领域，GD32VF103兼容STM32F103。（2）华大半导体隶属CEC，聚焦汽车电子、工业控制和物联网，提供控制芯片及安全方案，主要ARMMCU为HC32F0、HC32F1和HC32F4系列。2.2STM32F407ZGT6概述STM32是单片微控制器，集成Cortex-M内核、存储器、时钟、中断等基本功能和外设如GPIO、USART、I2C、USB等。STM32F407属于F4系列，168MHzCortex-M4内核，整合数字信号控制功能，提升能效和性能，适用多种数字解决方案。STM32全系列产品引脚、软件、外设兼容，拥有强大开发生态，包括例程、IP和开发工具，助力系统扩展和资源复用。STM32F407的结构与原理适用于F4系列其他型号，支持相同封装和功能的外设，代码和硬件设计可以共用。该兼容性和生态系统使STM32平台投资回报高，设计灵活，适合多领域应用开发。STM32F407的主要特性如下：（1）内核：带有FPU的Arm32位Cortex-M4CPU、在Flash存储器中实现零等待状态运行性能的自适应实时加速器（ART加速器）、主频高达168MHz，MPU，能够实现高达210DMIPS/1.25DMIPS/MHz（Dhrystone2.1）的性能，具有DSP指令集。（2）存储器（3）LCD并行接口，兼容8080/6800模式。（4）LCD-TFT控制器有高达XGA的分辨率，具有专用的Chrom-ARTAccelerator™，用于增强的图形内容创建（DMA2D）。2.2.1STM32F407的主要特性（5）时钟、复位和电源管理。（6）低功耗。（7）3个12位、2.4MSPSADC：多达24通道，三重交叉模式下的性能高达7.2MSPS。（8）2个12位D/A转换器。（9）通用DMA：具有FIFO和突发支持的16路DMA控制器。（10）多达17个定时器：STM32F407含17个定时器，支持168MHz，具输入捕获、输出比较、PWM及编码器功能，涵盖16位和32位多种类型。（11）调试模式。（12）多达140个具有中断功能的I/O端口。（13）多达15个通信接口。（14）高级连接功能。（15）8~14位并行照相机接口：速度高达54MB/s。（16）真随机数发生器。（17）CRC计算单元。（18）RTC：亚秒级精度、硬件日历。（19）96位唯一ID。STM32F407xx还带有标准与高级通信接口，主要功能如下：（1）高达3个I2C。（2）3个SPI，2个I2S全双工。为达到音频级的精度，I2S外设可通过专用内部音频PLL提供时钟，或使用外部时钟以实现同步。（3）4个USART及2个UART。（4）一个USBOTG全速和一个具有全速能力的USBOTG高速（配有ULPI低引脚数接口）。（5）2个CAN接口。（6）一个SDIO/MMC接口。（7）以太网和摄像头接口。2.2.2STM32F407的主要功能高级外设包括一个SDIO、一个灵活存储器控制（FMC）接口、一个用于CMOS传感器的摄像头接口。STM32F405xx和STM32F407xx器件的工作温度范围是-40~+105°C，供电电压范围是1.8~3.6V。若使用外部供电监控器，则供电电压可低至1.7V。该系列提供了一套全面的节能模式，可实现低功耗应用设计。STM32F405xx和STM32F407xx器件有不同封装，范围从64引脚至176引脚。所包括的外设因所选的器件而异。这些特性使得STM32F405xx和STM32F407xx微控制器适合于广泛的应用：（1）电机驱动和应用控制。（2）工业应用：PLC、逆变器、断路器。（3）打印机、扫描仪。（4）警报系统、视频电话、HVAC。（5）家庭音响设备。2.3STM32F407ZGT6芯片内部结构STM32F407ZGT6芯片主系统由32位多层AHB总线矩阵构成，STM32F407ZGT6芯片内部通过8条主控总线（S0～S7）和7条被控总线（M0～M6）组成的总线矩阵将Cortex-4内核、存储器及片上外设连在一起。1．8条主控总线（1）Cortex-M4内核I总线、D总线和S总线（S0～S2）。S0指令总线连接内核与存储器取指，S1数据总线连数据RAM与存储器加载数据，S2系统总线访问内部SRAM和外设。（2）DMA1存储器总线、DMA2存储器总线（S3、S4）。S3、S4为DMA存储器总线，连接DMA和总线矩阵，访问内部SRAM及外部存储器。（3）DMA2外设总线（S5）。S5为DMA2外设总线，连接DMA2与总线矩阵，访问AHB/APB外设及内部和外部存储器。（4）以太网DMA总线（S6）。（5）USBOTGHSDMA总线（S7）。S6为以太网DMA总线，连接以太网DMA与总线矩阵，访问内部SRAM及外部存储器。S7：USBOTGHSDMA总线。USBOTGHSDMA总线连接USBDMA与总线矩阵，访问内部SRAM和外部存储器进行数据传输。2.7条被控总线（1）内部FlashI总线（M0）。（2）内部FlashD总线（M1）。（3）主要内部SRAM1（112KB）总线（M2）。（4）辅助内部SRAM2（16KB）总线（M3）。（5）辅助内部SRAM3（64KB）总线（仅适用于STM32F42系列和STM32F43系列器件）（M7）。（6）AHB1外设（包括AHB-APB总线桥和APB外设）总线（M5）。（7）AHB2外设总线（M4）。（8）FSMC总线（M6）。FSMC借助总线矩阵，可以实现主控总线到被控总线的访问，这样即使在多个高速外设同时运行期间，系统也可以实现并发访问和高效运行。STM32F407ZGT6芯片总线矩阵结构图如图2-2所示。图2-2STM32F407ZGT6芯片总线矩阵结构2.4STM32F407VGT6芯片引脚和功能STM32F407VGT6芯片引脚示意图如图2-3所示。图2-3只列出了每个引脚的基本功能。但是，由于芯片内部集成功能较多，实际引脚有限，因此多数引脚为复用引脚（一个引脚可复用为多个功能）。对于每个引脚的功能定义请查看STM32F407XX数据手册。STM32F4系列微控制器的所有标准输入引脚都是CMOS的，但与TTL兼容。STM32F4系列微控制器的所有承受5V电压的输入引脚都是TTL的，但与CMOS兼容。在输出模式下，在供电电压2.7～3.6V的范围内，STM32F4系列微控制器所有的输出引脚都是与TTL兼容的。由STM32F4芯片的电源引脚、晶振I/O引脚、下载I/O引脚、BOOTI/O引脚和复位I/O引脚NRST组成的系统叫最小系统。图2-3STM32F407VGT6芯片引脚2.5STM32F407VGT6最小系统设计STM32F407VGT6最小系统是能让芯片正常工作的最简元件组合，保障基本功能运行。芯片内含电源管理模块，包括滤波复位、集成上电/掉电复位和可编程电压检测电路。还集成8MHz高速内部RC振荡器