第4章 初识STM32

本章参考资料：1、《STM8和STM32产品选型手册》2、SetupSTM32CubeMX-4.16.0.exe

4.1  什么是STM32

STM32，从字面上来理解，ST是意法半导体，M是Microelectronics的缩写，32表示32位，合起来理解，STM32就是指ST公司开发的32位微控制器。在如今的32位控制器当中，STM32可以说是最璀璨的新星，它受宠若娇，大受工程师和市场的青睐，无芯能出其右。

4.1.1  STM32诞生的背景

51 是嵌入式学习中一款入门级的经典 MCU，因其结构简单，易于教学，且可以通过串口编程而不需要额外的仿真器，所以在教学时被大量采用，至今很多大学在嵌入式教学 中用的还是 51。51 诞生于 70 年代，属于传统的 8 位单片机，如今，久经岁月的洗礼，既 有其辉煌又有其不足。现在的市场产品竞争越来越激烈，对成本极其敏感，相应地对 MCU 的 性能要求也更苛刻：更多功能，更低功耗，易用界面和多任务。面对这些要求，51 现有的 资源就显得得抓襟见肘。所以无论是高校教学还是市场需求，都急需一款新的 MCU 来 为这个领域注入新的活力。

基于这样的市场需求， ARM 公司推出了其全新的基于 ARMv7 架构的 32 位 Cortex-M3 微控制器内核。紧随其后，ST（意法半导体）公司就推出了基于 Cortex-M3 内核的 MCU—STM32。STM32 凭借其产品线的多样化、极高的性价比、简单易用的库开发方式，迅速在众多 Cortex-M3 MCU 中脱颖而出，成为最闪亮的一颗新星。STM32 一上市就迅速占领了中低端 MCU 市场，受到了市场和工程师的无比青睐，颇有星火燎原之势。

作为一名合格的嵌入式工程师，面对新出现的技术，我们不是充耳不闻，而是要尽快 吻合市场的需要，跟上技术的潮流。如今 STM32 的出现就是一种趋势，一种潮流，我们要 做的就是搭上这趟快车，让自己的技术更有竞争力。

4.2  STM32能做什么

STM32属于一个微控制器，自带了各种常用通信接口，比如USART、I2C、SPI等，可接非常多的传感器，可以控制很多的设备。现实生活中，我们接触到的很多电器产品都有STM32的身影，比如智能手环，微型四轴飞行器，平衡车、移动POST机，智能电饭锅，3D打印机等等。下面我们以最近最为火爆的两个产品来讲解下，一个是手环，一个是飞行器。

1.2.1  智能手环

 

图 4-1 三星 GearFit 智能手环

红圈：STM32F439ZIY6S处理器，2048KB FLASH ，256KB RAM ,WLCSP143封装。

橙圈：Macronix MX69V28F64 16 MB闪存，基于MCP封装的存储器，是一种包含了NOR和SRAM的闪存，这在手环手机这种移动设备中经常使用，优点是体积小，可以减小PCB的尺寸。这个闪存用的439的FSMC接口驱动。

黄圈：InvenSense MPU-6500陀螺仪/加速度计，用439的I2C接口驱动。

绿圈：博通BCM4334WKUBG芯片，支持802.11n，蓝牙4.0+HS以及FM接收芯片，用439的SDIO或者SPI接口驱动。

显示：1.84"可弯曲屏幕(Super AMOLED)，432 x 128像素。触摸部分用439的I2C接口驱动，OLED显示部分用LTDC接口驱动。

表格 41 三星Gear Fit 和秉火STM32F767挑战者资源对比

资源	三星Gear Fit	秉火STM32F767挑战者
CPU	STM32F439ZIY6S，WLCSP143封装	STM32F767IGT6，LQPF176 封装
存储	NOR+SRAM  16MB，FSMC接口	SDRAM  8MB，FMC接口
显示	1.84寸的 AMOLED，RGB接口，LTDC驱动	5寸电容屏，RGB接口，LTDC驱动
陀螺仪	MPU6050，I2C接口	MPU6050，I2C接口
无线通信	蓝牙:博通BCM4334，SDIO或者SPI接口	WIFI: 博通BCM43362，SDIO接口

除了这几个重要资源的对比，我们的767开发板上还集成了以太网，音频，CAN，485，232，USB转串口，蜂鸣器，LED，电容按键等外设资源，可以充分的学习767这个芯片。在板子上面，还可以跑系统ucosiii，学习图形界面emwin。如果功夫所至，学完之后，自己都可以做一个类似Gear Fit这样的手环。可很多人又会说，Gear Fit 涉及硬件和软件，整个系统这么复杂，并不是一个人可以完成的。说的没错，我们可以做不了，但是我们的能力可以无限接近，多学点，技多不压身嘛。

 

图 4-2 ucosiii+emwin 做的系统界面（767开发板的开机界面）

4.2.2  微型四轴飞行器

现在无人机非常火热，高端的无人机用STM32做不来，但是小型的四轴飞行器用STM32还是绰绰有余的。如图 43所示飞行器的基本都可以用STM32搞定。

 

图 4-3 微型四轴飞行器

上面的是属于产品，如果想自己DIY，可以在入门STM32之后，买一本飞行器DIY的书，边做边学。入门级的书籍推荐《四轴飞行器DIY—基于STM32微控制器》，见图 4-4。

 

图 4-4 四轴飞行器DIY —基于STM32微控制器

4.2.3  淘宝众筹

学会了STM32，想自己做产品，如何实现自己的梦想，淘宝众筹吧。做出产品原型，用别人的钱为自己的梦想买单。

淘宝众筹科技类网址：这里面有很多小玩意都可以用STM32实现，只要你的创意到了，就会有人买单，前提是我们要先学会STM32。

https://hi.taobao.com/market/hi/list.php?spm=a215p.1596646.1.8.LbVyJk#type=121288001

 

图 4-5 淘宝众筹科技类

4.3  STM32怎么选型

4.3.1  STM32分类

STM32有很多系列，可以满足市场的各种需求，从内核上分有Cortex-M0、M3、M4和M7这几种，每个内核又大概分为主流、高性能和低功耗。具体的见表格 42。

单纯从学习的角度出发，可以选择F1、F4和F7，F1代表了基础型，基于Cortex-M3内核，主频为72MHZ，F4代表了高性能，基于Cortex-M4内核，主频180M，F7代表了高性能，基于Cortex-M7内核，主频216M。

之于F1，F4（429系列以上）和F7（746系列以上）除了内核不同和主频的提升外，升级的明显特色就是带了LCD控制器和摄像头接口，支持SDRAM，这个区别在项目选型上会被优先考虑。

表格 4-2 STM8和STM32分类

CPU位数	内核	系列	描述
32	Cortex-M0	STM32-F0	入门级
		STM32-L0	低功耗
	Cortex-M3	STM32-F1	基础型，主频72M
		STM32-F2	高性能
		STM32-L1	低功耗
	Cortex-M4	STM32-F3	混和信号
		STM32-F4	高性能，主频180M
		STM32-L4	低功耗
	Cortex-M7	STM32-F7	高性能，主频216M
8	超级版6502	STM8S	标准系列
		STM8AF	标准系列的汽车应用
		STM8AL	低功耗的汽车应用
		STM8L	低功耗

4.3.2  STM32 命名方法

这里我们以秉火F767挑战者用的型号STM32F767IGT6来讲解下STM32的命名方法。

表格 43 STM32F767IGT6命名解释

—	STM32	F	767	I	G	T	6
家族	STM32 表示32bit的MCU
产品类型	F表示基础型
具体特性	767表示高性能且带DSP、FPU和硬解JPEG，支持双浮点
引脚数目	I表示176pin，其他常用的为C表示48，R表示64，V表示100，Z表示144，B表示208，N表示216
FLASH大小	G表示1024KB，其他常用的为C表示256，E表示512，I表示2048
封装	T表示QFP封装，这个是最常用的封装
温度	6表示温度等级为A ：-40~85°

有关更详细的命名方法见图 4-6。

 

图 4-6 STM8和STM32命名方法，摘自《STM8和STM32选型手册》

4.3.3  选择合适的MCU

了解了STM32的分类和命名方法之后，就可以根据项目的具体需求先大概选择哪类内核的MCU，普通应用，不需要接大屏幕的一般选择Cortex-M3内核的F1系列，如果要追求高性能，需要大量的数据运算，且需要外接RGB大屏幕的则选择Cortex-M4内核的F429系列。如果需要硬解JEPG图片和双浮点计算则选用Cortex-M7内核的F767系列.

明确了大方向之后，接下来就是细分选型，先确定引脚，引脚多的功能就多，价格也贵，具体得根据实际项目中需要使用到什么功能，够用就好。确定好了引脚数目之后再选择FLASH大小，相同引脚数的MCU会有不同的FLASH大小可供选择，这个也是根据实际需要选择，程序大的就选择大点的FLASH，要是产品一量产，这些省下来的都是钱啊。有些月出货量以KK（百万数量级）为单位的产品，不仅是MCU，连电阻电容能少用就少用，更甚者连PCB的过孔的多少都有讲究。项目中的元器件的选型的水深着啊，很多学问。

1. 如何分配原理图IO

在画原理图之前，一般的做法是先把引脚分类好，然后才开始画原理图，引脚分类具体见表格 44。

表格 4-4 画原理图时的引脚分类

引脚分类	引脚说明说明
电源	(VBAT)、(VDD  VSS)、(VDDA VSSA)、(VREF+ VREF-)等
晶振IO	主晶振IO，RTC晶振IO
下载IO	用于JTAG下载的IO：JTMS、JTCK、JTDI、JTDO、NJTRST
BOOT IO	BOOT0、BOOT1，用于设置系统的启动方式
复位IO	NRST，用于外部复位
上面5部分IO组成的系统我们也叫做最小系统
GPIO	专用器件接到专用的总线，比如I2C，SPI，SDIO，FSMC，DCMI这些总线的器件需要接到专用的IO
	普通的元器件接到GPIO，比如蜂鸣器，LED，按键等元器件用普通的GPIO即
	如果还有剩下的IO，可根据项目需要引出或者不引出

2. 如何寻找IO的功能说明

要想根据功能来分配IO，那就得先知道每个IO的功能说明，这个我们可以从官方的数据手册里面找到。在学习的时候，有两个官方资料我们会经常用到，一个是参考手册（英文叫Reference manual），另外一个是数据手册（英文叫Data Sheet）。两者的具体区别见表格 45。

表格 45 参考手册和数据手册的内容区别

手册	主要内容	说明
参考手册	片上外设的功能说明和寄存器描述	对片上每一个外设的功能和使用做了详细的说明，包含寄存器的详细描述。编程的时候需要反复查询这个手册。
数据手册	功能概览	主要讲这个芯片有哪些功能，属于概括性的介绍。芯片选型的时候首先看这个部分。
	引脚说明	详细描述每一个引脚的功能，设计原理图的时候和写程序的时候需要参考这部分。
	内存映射	讲解该芯片的内存映射，列举每个总线的地址和包含有哪些外设。
	封装特性	讲解芯片的封装，包含每个引脚的长度宽度等，我们画PCB封装的时候需要参考这部分的参数。

一句话概括：数据手册主要用于芯片选型和设计原理图时参考，参考手册主要用于在编程的时候查阅。官方的这两个文档可以从官方网址里面下载：http://www.stmcu.org/document/list/index/category-877，也可以从我们配置的光盘资料里面找到。

在数据手册中，有关引脚定义的部分在Pinouts and pin description这个小节中，具体定义见表格 4-6。

表格 4-6 数据手册中对引脚定义

 

表格 4-7 对引脚定义的解读

名称	缩写	说明
① 引脚序号	阿拉伯数字表示LQFP封装，英文字母开头的表示BGA封装。引脚序号这里列出了有6种封装型号，具体使用哪一种要根据实际情况来选择。
② 引脚名称	指复位状态下的引脚名称
③ 引脚类型	S	电源引脚
	I	输入引脚
	I/O	输入/输出引脚
④ I/O结构	FT	兼容5V
	TTa	只支持3V3，且直接到ADC
	B	BOOT引脚
	RST	复位引脚，内部带弱上拉
⑤ 注意事项	对某些IO要注意的事项的特别说明
⑥ 复用功能	IO的复用功能，过GPIOx_AFR寄存器来配置选择。一个IO口可以复用为多个功能，即一脚多用，这个在设计原理图和编程的时候要灵活选择。
⑦ 额外功能	IO的额外功能，通过直连的外设寄存器配置来选择。个人觉得在使用上跟复用功能差不多。

3. 开始分配原理图IO

比如我们的F767挑战者使用的MCU型号是STM32F767IGT6，封装为LQFP176，我们在数据手册中找到这个封装的引脚定义，然后根据引脚序号，一个一个复制出来，整理成excel表。具体整理方法按照表格 44 画原理图时的引脚分类即可。分配好之后就开始画原理图。

4.3.4  PCB哪里打样

设计好原理图，画好PCB之后，需要把板子做出来，进行软硬件联调。首先得PCB打样，这里我推荐一家我经常打样的厂家，深圳嘉立创（JLC），行业标杆，良心价格，网址：http://www.sz-jlc.com。一块10CM*10CM以内的板子，三天做好，50块就可以搞定，还包邮，简直便宜到掉渣。如果你足够懒，不想自己焊接电阻电容二三极管什么的，嘉立创还可以帮你把PCB样板上的阻容贴好给你，打样贴片一条龙。

样品做好了，软硬件什么都OK，要小批量怎么办？还是找JLC。