STM32的硬件设计

嵌入式系统的硬件组成

嵌入式处理器

• 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，其与外围电路配合组成了嵌入式系统

  而嵌入式处理器可以分为以下几类：

• 微处理器MPU

  属于CPU(中央处理器)的一个子集：大家都是PU(处理单元)，区别在于CPU是广义的概念，一切计算机中的处理单元都称作CPU，而MPU特指用在微型计算机中的CPU，为了适应微型计算机的要求有所修改

• 微控制器MCU

  将CPU和储存器、中断系统以及各种外设集成在一块单芯片上，也就是常说的单片机

  这种设计将一般计算机中的许多部件都集成在芯片内部，从而实现了小型化与低功耗，适应嵌入式系统的要求，用于嵌入式系统的控制，比CPU、MPU专用性更强，也因此一般来说在性能上不如前两者

• 数字信号处理器DSP

  专门用于信号处理的芯片，系统架构和指令算法经过特殊设计从而应用于数字滤波、快速傅里叶变换和频谱分析

• 片上系统SOC

  以可编程逻辑器件PLD为载体，把微处理器、IP核与储存器集成在单一芯片上

关于ARM

• 我们经常听到“ARM架构”/“ARM内核”/“ARM处理器”，ARM作为嵌入式处理器中占据重要地位的公司，在此对与它相关的这些概念进行梳理：

• ARM内核

  英国ARM公司专门负责设计处理器的内核(类似通用计算机中的CPU部分)

  ARM公司将他们设计的ARM内核分为三个系列，各个不同系列的内核针对不同应用领域进行优化，各个系列如下：

  • Cortex-A：用于高性能应用处理器，常见于手机SoC，能运行复杂的系统与程序
  • Cortex-R：用于实时处理器，常见于汽车芯片之类需要实时响应的任务
  • Cortex-M：用于微控制器，即单片机领域，专门对低功耗与低成本要求设计

• ARM架构

  ARM内核使用的是ARM公司开发的ARM处理器指令集架构，所谓指令集架构即操作该处理器所能使用的指令

  ARM架构使用精简指令集(RISC)，与x86的完整指令集(CISC)相比包含指令较少、每条指令较短、执行效率更高

  ARM架构随着发展迭代出了不同的版本，每个版本定义了不同的功能和指令集，比如ARMv8引入了64位指令集

• ARM处理器

  ARM公司自己不生产芯片，而是将设计好的内核授权给其他半导体厂家，由这些厂家为内核搭配各有特色的外设设计出芯片，使用了ARM内核的芯片即ARM处理器，比如STM32就使用了Cortex-M内核

外围电路

• 外围电路是嵌入式系统与外界环境交互所用的部件

  需要特别注意：嵌入式系统的外围电路与外设并非一个概念，“外设”集成在单片机芯片上，外围电路则是单片机的配套设施

  它们按功能可以分为以下四类：

• 环境感知

  温/湿度传感器、光电类传感器、压力传感器等

• 通信

  同步/异步串口、USB接口、以太网接口等

• 存储

  SRAM、DRAM、NAND Flas、NOR Flash等

• 人机交互

  指示灯、数码管、显示器、键盘等

---

STM32的硬件设计

STM32微控制器

• STM32的架构

  STM32是使用ARM Cortex-M4内核的32位微控制器

  这意味着STM32芯片区别于使用专用8位架构的STM8，而是与常见的手机处理器芯片一样，属于ARM处理器（当然，见上文ARM内核各系列介绍，两者有所不同）

  对STM32这样32位的MCU，char为8位，short为16位，long为32位，这三个数据类型分别对应uint8_t，uint16_t和uint32_t，这和我们在开发时STM8时所用的数据类型保持一致（这也是我们不使用int这样在不同系统中长度不同的数据类型的原因）

• STM32的外设

  STM32集成丰富的外设，以高性能类的STM32F4系列入门型芯片为例：

  • 最大集成1.5MB的Flash存储器，320KB的SRAM
  • 多达10路USART(最快12.5Mb/s)，多达5路SPI(最快50Mb/s)，多达4路I2C(最快1Mb/s)，多达3路CAN总线
  • 一个SDIO(SD卡接口)，一个全速USB2.0 OTG
  • 12位ADC，12位DAC
  • 多达18个16位和32位定时器，最高频率100MHz

  以上配置根据具体型号的不同有所差异

• STM32的引脚

  以常见的LQFP64封装为例，共有64个引脚，大部分引脚具备引脚复用功能，按功能可以分为5类：

  • 电源引脚

    • 数字电源VDD和数字电源地VSS(为了电源完整性，一般分为多组，均匀分布在芯片的四周以提高电源质量和减低电源阻抗)

    • 模拟电源VDDA和模拟电源地VSSA(这两个引脚兼做ADC模块的参考电压)

      模拟信号很容易受数字信号干扰，所以需要将两种隔离或者分开供电

    • 调节器电源VCAP(这个电源需要外接电容，用于内核电源滤波)

    • 备份电源引脚VBAT(为实时时钟、备份寄存器等模块供电)

  • 复位和启动模式引脚

    • 复位引脚NRST用于复位信号输入，该引脚为低电平时复位MCU

    • 启动模式引脚BOOT0和BOOT1用于设置MCU的启动模式，因为STM32有Flash、SRAM和系统储存器等存储介质，复位后需要确定从哪一个介质开始执行程序，一般将这两个引脚下拉电阻或连接其他引脚来决定其模式：

      BOOT0/BOOT1：0/X：从MCU片内Flash启动，最常用，因此一般电路设置为BOOT0接下拉电阻，BOOT1作为普通GPIO引脚使用

      BOOT0/BOOT1：1/0：系统储存器启动，主要用于串口下载(ISP模式)

      BOOT0/BOOT1：1/1：SRAM启动，主要用于代码调试

  • 时钟引脚

    时钟引脚分为两组：外部高速时钟HSE引脚OSC_IN和OSC_OUT，外部低速时钟LSE引脚OSC32_IN和OSC32_OUT

  • 调试引脚

    STM32支持两种调试引脚：JATG接口，使用JTMS、JTCK、JTDI、JTDO和JTRST；另一种串行调试接口SWD使用SWDIO、SWCLK、SWO(可选)，由于SWD占用引脚较少，更加常用

  • GPIO引脚

最小系统板

• 最小系统板简介

  最小系统板，又称最小板、核心板，指的是让MCU具备基本运行条件所需的外围电路

  狭义的最小板包括电源电路、时钟电路、复位电路、调试电路与主控芯片；广义的最小板还会加上指示灯、按键，蜂鸣器等基本的人机接口电路

• 电源电路

  给STM32供电的电路，即电源在连接到VDD引脚之前的电路

  给STM32供电常见的方式有两种：USB供电(USB提供5V直流电)与外部接口供电

  • 一般使用低压差线性稳压芯片将USB提供的+5V转换为STM32所用的3.3V电压，常见的型号是LD39050PU33R，固定输出3.3V，最大输出500mA电流；稳压芯片的输入和输出端加入滤波电容保证电压稳定

  • 外部接口供电类似USB供电，除3.3V电源外，其他5V、7~12V的电源也要经过稳压芯片处理再接入到VDD

  备用电源VBAT主要为备份电路，包括RTC、唤醒电路和备份寄存器等模块供电，VBAT一般和外部电池相连，如果不使用外部电池，则将VBAT和VDD相连

• 时钟电路

  STM32F4系列具备LSI内部低速(不可作系统时钟)、HSI内部高速、HSE外部高速、LSE外部低速和PLL锁相环倍频后时钟，共五个时钟源，HSE和LSE这两种外部时钟需要时钟电路，时钟电路分两种：

  • 振荡模式：在OSC_IN和OSC_OUT引脚间接入一个晶振和两个电容构成振荡电路提供时钟信号，LSE所用32.768kHz(2¹⁵)的晶振，HSE则可以使用4~26MHz(由具体单片机型号决定)
  • 旁路时钟模式：直接将外部电路提供的时钟信号接入OSC_IN，此时OSC_OUT悬空

• 复位电路

  给NRST引脚一个低电平，即可让MCU复位，常使用的是阻容复位电路：其结构是在NRST与地之间并连的一个按钮和一个电容，这样的电路工作原理是：

  • 按下按钮让NRST和地接通，NRST得到低电平从而复位，这就是手动复位
  • MCU上电后电容短路，两端都为0V，进入复位状态，而MCU的电源VDD通过NRST引脚给电容充电，当电容电压上升到MCU高电平阈值时，MCU结束复位，这就实现了在给单片机上电时让MCU自动复位一次

• 调试电路

  用于连接仿真器和MCU，仿真器通过调试电路进行程序下载和仿真

  • 使用ST-Link仿真器时将MCU的调试引脚和ST-Link的对应引脚相连即可

  • SWD调试接口时需要将SWD数据输入输出信号SWDIO、时钟信号SWCLK，可选的SWD调试信息输出信号SWO连接到单片机对应引脚上，使用6针插座(还有3个引脚留给NRST、VDD和GND)

  • JATG则采用20针牛角插座，占用MCU的五个引脚

---

蓝桥杯开发板

主控芯片

• 主控芯片的型号

  蓝桥杯的开发板使用STM32G431RBT6为主控芯片，其特性如下：

  • 工作频率高达170 MHz

    HSI频率为16MHz(另外有HSI48 RC频率可达48MHz)，HSE频率可设定为4-48MHz，LSI频率为32kHz

  • 1个通用32位定时器、2个专用于电机控制的16位PWM定时器、7个通用16位定时器以及1个16位低功耗定时器

  • 高达128 KB的Flash存储器(存储代码)和高达32 KB的SRAM(存储运行数据)

  • 有两路12位(4096)快速ADC

  • 有V_DDA模拟电压，V_SSA模拟GND，V_REF+参考电压(开发板上为J17连接)为3.3V

  • 通信接口丰富：3个I2C接口，3个SPI接口(与2个半双工I2S接口复用)，3个USART接口(其中包含1个UART接口和1个低功耗UART接口)，1个FDCAN接口，1个SAI接口，支持USB设备

• 主控芯片的配套电路

  • 芯片的每一个V_DD引脚都连接了去耦电容
  • 3.3V的参考电压经过电感平滑信号，让参考电压更稳定
  • BOOT0(引脚复用PB8)通过下拉电阻置低电平下载程序
  • 有RESET复位按键电路，连接NRST(引脚复用PG10)，低电平复位

外围配置

• DAP-link烧录器

  除了主控芯片外，开发板上还有另一块STM32芯片，其型号是STM32F103C8T6，这块芯片用作DAP-link，通过SWD接口为主控下载程序，USB下载接口连接其PA11、PA12下载引脚

  DAP-link是ARM官方的开源USB调试和编程库，它允许与上位机进行USB通信，这块芯片及其外围元件构成一块最小系统板，为其事先写好USB驱动和DAP协议，充当烧录器的角色

  如此我们只需要使用USB线连接电脑和开发板就能烧录程序，不必外接下载调试器了；

  另外有TLV1117芯片电路把USB的5V电压降压为3.3V，为主控供电

• 储存芯片

  24C02芯片提供2kb的串行EEPROM存储，可非易失性地存储256个8位字节数据，通过I2C协议读写

• 电位器

  开发板上有4个电位器(滑动变阻器)，分别是两路信号发生器(用作频率输出)和两路分压电位器(用作电压采集)

  另外有一个数字电位器芯片(可编程电阻)MCP4017

• LED模块/LCD显示屏

  开发板上有8个LED灯，共阳极连接，而其阴极连接至SN74HC573锁存器，当对应连接的引脚输出高电平时LED熄灭，反之亮起

  对锁存器，当控制引脚LE(连接至PD2引脚)为高电平时，锁存器打通，低电平时锁定；

  • 打通状态：任意输入通道(1D-8D，分别连接至PC8-PC15引脚)与其对应的输出通道(1Q-8Q，分别连接LD1-LD8)的电平状态相同
  • 锁定状态：输出通道将保持切换至锁定状态前的状态，不再受输入通道影响

  由于引脚有限，LCD显示屏和LED灯共用一组引脚

• 按键模块

  除了复位按钮外，开发板有4个独立按键B1-B4，分别连接PB0/PB1/PB2/PA0

  默认上拉到高电平，在按下后与GND导通变成低电平

• ADC模块

  也即上文所述的两个用作电压采集的电位器及其配套电路，，通过调节电位器来控制引脚采集的电压，采集电压的范围是0-3.3V

  电压采集1和2分别连接PB15和PB12(需要分别通过J11和J12手动跳线连接)，连接STM32G4的2个快速12位ADC

• 可调脉冲输出电路

  也即上文所述的两个用作频率输出的电位器及其配套电路，每一路包含一个XL555：XL555的2号和4号管脚(分别为TRIGGER与RESET)的电压值控制3号管脚(OUTPUT)的输出电平：2号降至1/3V_CC时(或者5号CONT控制引脚决定的阈值电压)输出高电平；6号(THRESHOLD，与2号电路相连)升至2/3V_CC时输出低电平；3号引脚与主控芯片相连以采集频率

  频率输出1的输出引脚连接至PB4(需要连接J9)，频率输出2的输出连接至PA15(需要连接J10)

• IIC/EEPROM储存器/MCP4017可编程电阻

  24C02储存芯片和MCP4017可编程电阻芯片共用同个I2C总线(PB6为SCL/PB7为SDA)，两者地址不同，因此可以通过I2C通信进行单独控制