STM32嵌入式技术及应用 课件 任务1-1 认识STM32微控制器

STM32EMBEDDEDTECHNOLOGYSTM32嵌入式技术及应用任务1-1认识STM32微控制器ARMCortex-M3KeilMDK开发Proteus仿真项目一LED控制设计与实现目录CONTENTS01任务目标了解STM32基本概念，熟悉开发环境，掌握硬件仿真器知识，为后续项目开发打下基础02知识储备•什么是STM32•嵌入式系统定义•ARMCortex处理器、STM32系列微处理器03任务实施•搭建STM32开发环境•KeilMDK安装配置•Proteus软件入门•认识硬件仿真器04任务总结•核心知识点总结•技能提升要点建议课时：2学时难度等级：初级05提升训练与评价•提升训练题目•任务评价标准01TASKOBJECTIVES任务目标TASKOBJECTIVES任务目标了解STM32基本概念掌握STM32微控制器的定义、特点及应用范围理解ARMCortex-M3内核架构熟悉STM32F103系列命名规则建立嵌入式系统基础认知熟悉开发环境掌握KeilMDK集成开发环境的使用学会Proteus仿真软件的基本操作完成元件支持包的安装配置搭建完整的开发工具链掌握硬件仿真器了解J-Link、ULink、ST-Link等仿真器理解硬件仿真的工作原理为后续项目开发打下坚实基础具备软硬件联调能力学习成果：完成本任务后，你将能够独立搭建STM32开发环境，理解嵌入式系统的基本概念，为后续GPIO控制、定时器应用等复杂项目开发奠定坚实基础。02KNOWLEDGERESERVE知识储备什么是STM32EMBEDDEDSYSTEM嵌入式系统定义IEEE官方定义"用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置，是一种专用的计算机系统。"——IEEE（美国电气和电子工程师协会）国内认同度较高的定义以应用为中心专为特定应用场景设计，非通用计算设备以计算机技术为基础具备完整计算机系统的核心要素软硬件可裁剪根据应用需求灵活配置资源典型嵌入式系统示例智能心电监视仪医疗设备智能手表可穿戴设备汽车ECU汽车电子智能手机移动通信工业机器人自动化控制智能家居物联网应用三个关键属性嵌入性嵌入受控器件内部专用性为特定应用设计计算机系统具备计算能力CORECHARACTERISTICS嵌入式系统的核心特征功能要求严格嵌入式系统必须满足特定应用的功能需求，每个功能模块都经过精心设计，确保系统能够准确完成预定任务。可靠性要求高在工业控制、医疗设备等关键领域，嵌入式系统必须具备极高的可靠性，确保长时间稳定运行不出现故障。成本控制严格大规模生产的嵌入式产品对成本极为敏感，需要在满足功能的前提下尽可能降低硬件成本。体积限制严格许多嵌入式应用对体积有严格要求，如可穿戴设备、植入式医疗设备等，需要高度集成的解决方案。功耗要求严格对于电池供电设备，低功耗设计至关重要。STM32通过多种节能模式（睡眠模式、待机模式等）大幅降低能耗，延长设备续航时间。系统架构特点1控制程序存储在ROM中嵌入式处理器控制板将程序固化在只读存储器中2单程序实现控制逻辑大多数嵌入式系统由单个程序实现整个控制逻辑3部分包含操作系统复杂系统可能运行RTOS实时操作系统应用领域消费电子通信设备工业控制医疗器械汽车电子物联网ARMCORTEXPROCESSOR嵌入式ARMCortex处理器ARM公司AdvancedRISCMachinesARM公司是英国的芯片技术公司，是嵌入式微处理器领域的佼佼者。全球嵌入式处理器超过1000多种，体系结构有30多个系列，ARM占据重要地位。商业模式ARM公司自己研发微处理器内核架构，然后将这些架构的知识产权(IP)授权给各个芯片厂商。精简的CPU架构、高效的处理能力以及成功的商业模式让ARM获得巨大成功。ARM处理器市场地位1000+嵌入式处理器种类30+体系结构系列遍及工业控制、消费电子、通信系统网络系统、DSP、无线移动应用低功耗、低成本、高性能的领先者ARMCortex系列命名规则ARM公司在经典处理器ARM11以后的产品改用Cortex命名。ARMCortex系列处理器基于ARMv7架构，分为Cortex-A、Cortex-R和Cortex-M三类，分别针对不同应用场景优化设计。RISC技术特点精简指令集ReducedInstructionSetComputer，指令数量少、格式规整高效处理能力单周期执行指令，流水线技术提升效率低功耗设计优化的功耗管理，适合便携设备CORTEXSERIESARMCortex系列处理器分类ACortex-A高性能系列应用场合主要用于高性能(Advance)场合，针对日益增长的运行复杂操作系统的消费者娱乐和无线产品。支持系统LinuxWindowsCESymbian典型应用智能手机、平板电脑、数字电视、机顶盒RCortex-R实时系列应用场合主要用于实时(Realtime)要求高的场合，针对需要运行实时操作系统来控制应用的系统。实时特性确定性响应时间、低中断延迟、高可靠性，满足实时控制需求。典型应用汽车电子、网络设备、影像系统、工业控制MCortex-M微控制器系列应用场合主要用于微控制器单片机(MCU)领域，为对功耗和成本敏感、性能要求不断增加的嵌入式应用设计。核心优势超低功耗、低成本、高性能、易于开发，是嵌入式学习的最佳选择。典型应用微控制器系统、家电、工业控制、医疗器械、玩具、无线网络学习重点：本书以Cortex-M系列中的STM32F103为主讲对象，它是目前嵌入式开发市场的绝对主流，性价比极高，适合初学者入门。CORTEX-M3FEATURESARMCortex-M3处理器特点Cortex-M32006年推出ARM公司于2006年推出了采用ARMv7指令集的32位Cortex-M3微处理器核，专为对成本和功耗敏感但对性能要求高的应用而设计。性能对比速度提升快1/3功耗降低低3/4芯片面积更小相比ARM7处理器设计目标Cortex-M3处理器专门为那些对成本和功耗非常敏感，但同时对性能要求又相当高的应用而设计。低成本低功耗高性能小尺寸核心优势特性缩小的内核尺寸更小的芯片面积，降低成本出色的中断延迟12个时钟周期确定性响应集成的系统部件NVIC、SysTick、调试组件灵活的硬件配置可配置的中断优先级快速的系统调试JTAG/SWD调试接口简易的软件编程C语言友好，Thumb-2指令集设计理念凭借这些优势，ARMCortex-M3处理器成为广大嵌入式系统的理想解决方案，基于它的系统设计可以更快地投入市场。WHATISSTM32什么是STM32STM32基本定位STM32系列微处理器是由意法半导体(ST)公司以ARMCortex-M为内核开发生产的32位处理器，旨在为微控制单元(MCU)用户提供新的开发自由度。高性能72MHz主频，强大运算能力实时功能支持实时操作系统数字信号处理内置DSP指令集低功耗多种节能模式核心优势1集成度高内置丰富外设接口2易于开发完善的开发工具链3成本优势性价比极高4生态完善丰富的学习资源典型应用场景工业自动化控制智能家居系统汽车电子系统医疗设备控制学习提示STM32是目前市场上最流行的32位微控制器之一，掌握其开发技术对嵌入式工程师职业发展至关重要。STM32NAMINGCONVENTIONSTM32系列微处理器概述STM32型号命名规则STM32F103R6T6产品系列32位MCU产品类型通用型子系列增强型引脚数64脚闪存容量32KB封装LQFP温度-40~85℃产品系列STM32=32位微控制器产品类型F=通用类型子系列103=增强型温度范围6=-40℃~85℃型号示例解析STM32F103VCT6STM3232位微控制器系列F通用类型103增强型子系列V100个引脚C256KB闪存容量TLQFP封装6-40℃~85℃温度范围选型要点根据应用需求选择引脚数量根据程序大小选择闪存容量根据工作环境选择温度范围STM32F103SERIESSTM32F103系列详细介绍市场地位从性价比的角度来看，STM32F103微控制器目前是市场的绝对主流。虽然半导体公司仍不断有新型号推出，但在可预见的相当长一段时间内，只要对终端设备的运算能力需求没有本质性的提高，其主流地位仍将持续。本书选择本书以STM32F103R6芯片为主，并配合Proteus仿真软件对嵌入式项目应用进行讲解。核心配置主频72MHzARMCortex-M3内核闪存32KB高速嵌入式存储器SRAM6KB静态随机存储器电源2.0-3.6V宽电压供电范围外设接口ADC模数转换器2个12位ADCTIM定时器3个通用16位I2CI2C接口多达2个SPISPI接口多达2个USARTUSART接口3个串口USBUSB接口1个USB还包含1个PWM定时器和1个CAN接口，连接到两条APB总线性能特点总结高性能低功耗丰富外设易于开发GREEN&LOW-CARBONSTM32的绿色低碳应用绿色低碳理念STM32系列微处理器作为基于ARMCortex-M内核的32位微控制器，不仅以其高性能、丰富的外设和易于开发的特点赢得了广泛赞誉，更在绿色低碳领域展现出巨大的应用潜力。低功耗设计特点灵活的电源管理策略多种节能模式（睡眠/待机）在保证性能的同时大幅降低能耗应用领域智能家居智能照明、温控系统、安防监控工业自动化节能电机控制、智能传感器新能源汽车电池管理系统、能量回收新能源太阳能逆变器、风能控制节能模式详解睡眠模式(SleepMode)CPU停止运行，外设继续工作，功耗降低约50%，唤醒时间短待机模式(StandbyMode)大部分电路关闭，仅保留唤醒电路，功耗降至最低，适合长期待机应用停机模式(StopMode)所有时钟停止，保留SRAM和寄存器内容，功耗极低，唤醒后可快速恢复工程伦理意识在电路设计中选用低功耗元件，优化电源配置，体现节能减排的工程伦理意识，是每位嵌入式工程师应有的责任。03TASKIMPLEMENTATION任务实施搭建STM32开发环境DEVELOPMENTENVIRONMENT搭建STM32开发环境概述开发环境组成STM32开发环境是指用于STM32项目开发的软件和硬件工具。完整的开发环境包括软件开发平台和硬件开发工具两部分。软件开发平台集成开发环境IDE本书采用ARM公司的KeilMDK开发环境，提供完整的编译、调试工具链。硬件开发工具实物调试+实验仿真本书选用Proteus仿真软件进行硬件实验仿真，易上手、便于调试和验证。工具选择优势KeilMDK优势行业领先的ARMC/C++编译工具链完美支持Cortex-M系列器件包含世界各大品牌芯片支持功能强大的仿真调试器Proteus优势无需硬件即可验证程序丰富的激励源和虚拟仪器从原理图到PCB完整流程易上手，便于调试验证开发流程编写代码KeilMDK编译调试生成HEX文件仿真验证Proteus硬件调试下载运行KEILMDKKeilMDK简介KeilMDK-ARMMicrocontrollerDevelopmentKitKeilMDK-ARM是美国Keil软件公司（现已被ARM公司收购）出品的支持ARM微控制器的一款IDE（集成开发环境）。完整开发方案C编译器宏汇编器连接器库管理器仿真调试器μVisionIDE核心优势行业领先的编译工具链ARMC/C++编译器性能优异完美支持ARM系列器件Cortex-M/R、ARM7/9全系列丰富的芯片支持ST、Atmel、TI等众多品牌μVision集成开发环境μVision是KeilMDK的集成开发环境，将编译、汇编、连接、调试等功能组合在一起，提供统一的图形界面。代码编辑工程构建调试仿真Flash下载版本信息最新版本μVision5可从Keil官网下载最新版本本书采用版本KeilMDK5.30稳定可靠，适合教学使用下载地址/downloadINSTALLATIONSTEPSKeilMDK安装步骤安装流程1下载安装包访问Keil官网下载KeilMDK5.30安装包，根据操作系统选择对应版本（Windows）2运行安装程序双击安装程序，按照向导提示进行安装，选择安装路径（路径中不要出现中文字符）3完成安装安装完成后第一次运行KeilMDK，软件会自动弹出PackInstaller引导界面4手动打开PackInstaller也可单击标签栏中的依赖包安装标签，调出依赖包安装窗口注意事项安装路径选择的安装路径中不要出现中文字符，避免使用过程中出现字符编码格式错误的问题。许可证免费版有代码大小限制，教学使用足够。如需完整功能，需购买正版许可证。驱动安装安装过程中会自动安装必要的驱动程序，请保持网络连接畅通。安装成功标志桌面出现KeilμVision5图标开始菜单中有Keil程序组首次运行弹出PackInstallerONLINEINSTALLATION元件支持包在线安装在线联网安装方法在线联网安装的方法相对比较简单，MDK的PackInstaller中的元件区是将元件按照树形方式存放的。1选择生产厂家在PackInstaller左侧树形列表中，选择将要使用的MCU的生产厂家。本书使用的STM32F103系列MCU的生产厂家是STMicroelectronic。2选择MCU型号展开厂家节点，选择下一级找到要使用的MCU型号。本书使用STM32F1系列芯片作为学习对象。3选择版本并安装在右侧的元件支持包（DeviceFamilyPack,DFP）中选择需要安装的版本号，单击Install按钮即可实现依赖包的安装。本书配置目标芯片STM32F103R6ARMCortex-M3内核，64引脚，32KB闪存元件支持包版本Keil.STM32F1xx_DFP.2.3.0STM32F1系列完整支持包常见问题网络连接失败在线安装需要稳定的网络连接，如遇网络问题，建议使用离线安装方式。安装速度慢Pack文件较大，下载安装需要一定时间，请耐心等待。OFFLINEINSTALLATION元件支持包离线安装离线安装方法在线安装过程中，有时会因网络问题出现安装失败的情况。如果遇到这种情况，建议读者单独下载器件支持包，然后进行离线安装。1下载Pack文件首先需要用户自行下载MCU依赖包的离线安装文件。Keil官网有MDK支持的各种元件依赖包可以下载，在打开的页面中向下滚动选择STM32F1系列的依赖包文件，单击下载按钮下载。2启动KeiluVision5成功下载元件支持包后，启动KeiluVision5开发环境。3导入Pack文件在File菜单中选择Import子菜单，在弹出的文件选择对话框中选择前面下载的Pack文件，然后单击"打开"按钮即可实现MCU依赖包的离线安装。下载地址Keil官方Pack包下载页/dd2/pack/页面包含所有MDK支持的元件依赖包向下滚动找到STMicroelectronics选择STM32F1xx_DFP下载安装提示Pack文件格式.pack为Keil专用格式，双击也可安装版本选择建议选择最新稳定版本安装验证安装后在PackInstaller中查看PROTEUSSOFTWAREProteus软件简介Proteus英国Labcenter公司开发Proteus是电路分析与实物仿真软件，运行于Windows操作系统上。它不仅具有模拟电路、数字电路仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。核心功能模拟电路仿真数字电路仿真单片机仿真外围器件仿真原理图设计PCB设计用户群体单片机爱好者学习单片机原理，验证设计方案教学工作者课堂教学演示，实验验证科技工作者单片机开发应用，原型验证完整开发流程原理图设计电路仿真PCB设计丰富资源激励源直流、正弦、脉冲等多种信号源虚拟仪器示波器、逻辑分析仪、计数器等元件库丰富的元器件库，持续更新分析图表多种仿真分析图表供选择PROTEUSVERSIONProteus版本要求与安装版本要求由于8.0以前版本的Proteus不支持STM32仿真，所以读者在选用Proteus版本时要高于8.0版本。8.0以下不支持STM328.0以上支持STM32本书采用版本Proteus8.9安装环境：Windows10安装步骤1下载安装程序从Labcenter官网或授权渠道下载Proteus8.9安装程序2运行安装向导双击安装程序，根据提示选择合适的安装路径进行安装3完成安装按照向导提示完成安装，启动Proteus软件重要提示安装路径在选择的安装路径中最好不要出现中文字符，避免使用过程中出现字符编码格式错误的问题。许可证Proteus是商业软件，需要购买许可证。教学可使用试用版或教育版。PROTEUSINTERFACEProteus编辑环境介绍启动Proteus启动方式选择"开始"→"程序"→"Proteus8Professional"→"Proteus8Professional"，或在桌面上直接双击图标启动界面进入Proteus8Professional启动界面，单击图标即可进入电路图编辑界面界面组成菜单栏文件、编辑、视图等菜单主工具栏常用功能快捷按钮预览窗口显示整个电路图预览工具箱各种绘图和编辑工具原理图编辑窗口主要工作区域元件列表当前使用的元件编辑环境组成电路图编辑界面由以下部分组成：菜单栏、主工具栏、预览窗口、元器件选择按钮、工具箱、原理图编辑窗口、元件列表、仿真按钮、二维图形绘制按钮、方向工具栏、状态栏等。仿真按钮运行、暂停、停止仿真二维图形绘制绘制直线、方框、圆形等方向工具栏旋转、翻转元件状态栏显示当前操作状态学习提示本书中的STM32电路仿真实验均在Proteus原理图编辑窗口中实现，更加详细的使用方法和技巧在后续的项目任务中穿插介绍。TOOLBOXPART1Proteus工具箱详解（一）工具箱功能选择按钮用于即时编辑元件参数P元器件按钮单击"P"按钮，从库中添加元器件或在列表中选择连接点用于在原理图中放置连接节点Net网络标号相同网络标号的节点表示电气连通更多工具插入文本用于在原理图中插入文本信息总线用于在原理图中绘制总线绘制子电路用于绘制子电路块终端接口输入、输出、电源和地等接口虚拟仪器与信号源信号源直流电源、正弦信号、脉冲信号等虚拟仪器示波器、逻辑分析仪、计数器等电压探针显示探针所处网络线上的电压仿真图表多种仿真分析图表供选择TOOLBOXPART2Proteus工具箱详解（二）二维图形绘制按钮画线绘制直线方框绘制方框圆形绘制圆形弧形绘制弧形曲线绘制曲线字符/文字插入文字说明仿真控制按钮运行开始仿真单步运行单步执行暂停暂停仿真停止停止仿真其他工具符号放置符号坐标原点放置坐标原点使用技巧熟练掌握工具箱中的各种工具，可以大大提高电路设计的效率。建议多练习使用快捷键，提升操作速度。TEMPLATESETTINGSProteus模板设置模板设置Proteus编辑环境设置主要指模板选择、图纸设置和格点设置。绘制电路图首先要选择模板，模板控制电路图的外观信息。设置设计默认值菜单：Template→SetDesignColours设置纸张、格点、工作区颜色，设置仿真时正负极、逻辑高低电平颜色设置图标和曲线颜色菜单：Template→SetGraph&TraceColours设置图形轮廓线、底色、图形标题、图形文本等颜色设置结点样式菜单：Template→SetJunctionDotStyle通过此对话框设置节点的形状，分为三种类型：方形Square圆形Round菱形Diamond可设置的颜色项目纸张（Paper）格点（GridDot）工作区（WorkAreaBox）正极（Positive）负极（Negative）逻辑高电平（1）逻辑低电平（0）隐藏对象（HiddenObjects）SHEET&GRIDSETTINGSProteus图纸与格点设置图纸尺寸设置选择主菜单中的System→SetSheetSizes，将弹出图纸设置对话框，可进行图纸的设置。可用图纸规格A0（最大）A1A2A3A4（默认）系统提供美制图纸A0～A4，系统默认图纸为A4格点设置在设计电路原理图时，图纸上的格点有利于元件的排列和连线。格点显示设置菜单：View→ToggleGrid可设置编辑环境中格点是否显示格点间距设置菜单：View→Snap10th/Snap50th/Snap0.1in/Snap0.5in可设置各格点的间距（in为英寸，th为毫寸）格点间距选项Snap10th0.1英寸格点Snap50th0.02英寸格点Snap0.1in0.1英寸格点Snap0.5in0.5英寸格点HARDWAREDEBUGGER认识STM32硬件仿真器硬件仿真器作用尽管软件仿真具有无需搭建硬件电路就可以对程序进行验证的优点，但无法完全反映真实硬件的运行状况，因此还要通过硬件仿真来完成最终的设计。连接作用硬件仿真器连接计算机（开发工具）与开发目标板，将在计算机上编译完成的代码下载到目标板，并且在计算机上实现对代码的调试。单步执行全速运行查看资源设置断点仿真器连接示意图计算机KeilMDKUSB/JTAG仿真器J-Link/ST-LinkJTAG/SWD目标板STM32软件仿真vs硬件仿真软件仿真无需硬件电路便于程序验证无法反映真实硬件硬件仿真真实硬件运行完整功能验证需要硬件支持DEBUGGERTYPES1常用硬件仿真器类型（一）J-Link仿真器SEGGER公司出品产品介绍J-Link是SEGGER公司为支持仿真ARM内核芯片推出的JTAG仿真器。支持IDEIAREWARMADSKEILWINARM支持芯片支持所有ARM7/ARM9/ARM11、CortexM0/M1/M3/M4、CortexA5/A8/A9等内核芯片的仿真与IAR、Keil等编译环境无缝连接，操作方便、连接方便、简单易学ULink仿真器Keil公司出品产品介绍ULink是Keil公司推出的仿真器，其升级版本为ULink2和ULinkPro。重要限制ULink仅支持在Keil-MDK-ARM环境下使用，并不支持其他开发环境。版本演进ULink（第一代）ULink2（第二代）ULinkPro（专业版）与KeilMDK深度集成，调试功能强大DEBUGGERTYPES2常用硬件仿真器类型（二）ST-Link仿真器ST公司专用产品介绍ST-Link是专门针对ST公司生产的STM8和STM32系列芯片推出的在线调试编程器。接口标准ST-Link/V2兼容JTAG/SWD标准接口，可与多种开发环境配合使用。价格优势ST-Link的销售价格相对其它国外大厂的在线仿真设备要实惠许多，基本成为国内嵌入式工程师入手必备的工具。性价比高，STM32开发首选CMSIS-DAP仿真器ARM官方开源产品介绍CMSIS-DAP仿真器是ARM官方推出的开源仿真器，支持所有的Cortex-A/R/M器件。接口支持支持JTAG/SWD接口，可与多种开发环境配合使用。核心优势没有版权限制价格相对便宜无须驱动，即插即用备受开发者喜爱，开源社区支持04TASKSUMMARY任务总结核心知识点与技能提升COREKNOWLEDGE核心知识点总结01STM32微控制器架构ARMCortex-M3内核性能特点高性能低功耗丰富外设典型应用工业控制智能家居02命名规则型号组成产品系列+类型+子系列+引脚+闪存+封装+温度识别能力通过型号参数快速识别关键信息示例STM32F103R6：64脚、32KB闪存03开发环境KeilMDK安装、Pack包配置Proteus界面、工具箱、模板设置硬件仿真器J-Link、ST-Link等类型SKILLIMPROVEMENT技能提升总结KeilMDK配置技能1元件支持包安装掌握在线安装和离线安装两种方式，能够独立完成Keil.STM32F1xx_DFP支持包的安装2工程模板创建掌握工程模板创建方法，能够配置正确的目标芯片型号和编译选项3编译调试能够编译工程并生成HEX文件，掌握基本的调试操作Proteus仿真技能1搭建最小系统电路在Proteus中搭建包含STM32F103R6、8MHz晶振、复位电路的最小系统2电源配置正确配置VDD和VSS电源，理解电源配置对仿真的重要性3仿真验证验证电源、时钟、复位电路设计逻辑的正确性能力提升路径理论学习环境配置实践操作项目开发GREEN&LOW-CARBON绿色低碳理念低功