Микроконтроллерная платформа stm32

МИКРОКОНТРОЛЛЕРНАЯ ПЛАТФОРМА STM32

Срывкин В.А.

32- БИТНЫЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ STM

Современный уровень развития технологии обеспечил возможность

создания микроконтроллеров с 32- битной архитектурой, цена которых сопоставима с 8-битными микроконтроллерами.

32-х битное ядро для реализации требует несколько десятков тысяч транзисторов, в то время как 256Кб Flash-памяти — это 2 млн транзисторов . Соответственно, основное место площади современного контроллера занимает память, порты ввода/вывода и периферийные модули.

32- БИТНЫЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ STM

Компания ST разрабатывала 32 - битные микроконтроллеры на основе ядер ARM7 и ARM 9.

Новое поколение 32- битных микроконтроллеров компании ST использует ядро CORTEX M3

Микроконтроллеры STM32 изначально выпускались в 14 различных вариантах, разделенные на две группы: Performance Line, в которую вошли микроконтроллеры с тактовой частотой ЦПУ до 72 МГц, и Access Line (тактовая частота до 36 МГц). 

  Архитектура микроконтроллеров STM 32

Микроконтроллеры семейства STM32 выполнены на основе ядра

Cortex- M 3, которое подключено к Flash памяти по шине инструкций I-bus .

Шина данных D-bus и системная шина System Cortex подключены к матрице высокоскоростных шин AHB.

Внутреннее статическое ОЗУ подключено напрямую к матрице шин AHB,

с которой также связан блок прямого доступа к памяти (ПДП).

Энергопотребление

Микроконтроллеры работают от 2В-ого источника питания на тактовой частоте 72МГц и потребляют с учетом нахождения в активном состоянии всех встроенных ресурсов, всего лишь 36 мА.

Если же использовать поддерживаемые ядром Cortex экономичные режимы работы, то потребляемый ток можно снизить до 2 мкА в режиме STANDBY.

Для быстроты возобновления активной работы микроконтроллера используется внутренний RC-генератор на частоту 8 МГц. Его активность сохраняется на время запуска внешнего генератора. Благодаря быстроте перехода в экономичный режим работы и выхода из них результирующая средняя потребляемая мощность еще больше снижается.

СТРУКТУРА ПЛАТФОРМЫ STM32

В настоящее время платформа состоит, по крайней мере,

из 10 линеек микроконтроллеров :

АРХИТЕКТУРА

Контроллер вложенных прерываний ( NVIC)

• Контроллер поддерживает до 240 прерываний и до 256 уровней приоритета,
• Вход в обработчик прерывания занимает 12 тактов (сохранение стекового фрейма и регистров) и
• Прерывания могут быть вложенными: если во время обработки прерывания возникает прерывание с меньшим приоритетом, то второе будет обработано через 6 тактов после обработки первого.
• Кроме того, существуют немаскируемые прерывания — NMI ( N on- M asked  I nterrupts), которые невозможно сбросить, не обработав, и которые прерывают выполнение программы независимо от каких-либо условий. Такие прерывания генерируются при сбое внешнего источника тактирования (кварца, керамического резонатора) и при обнаружении некорректной инструкции.

Шинная матрица ( Bus matrix)

Шинная матрица — это развитие идеи простого контроллера шины: здесь шины соединены так, что устройства могут взаимодействовать напрямую, не через ядро.

Также она управляет доступом к не-выровненным данным (адреса которых не кратны 4, как принято в 32-битных архитектурах) и атомарным доступом к отдельным битам в специально выделенном диапазоне (технология bit-banding)

AHB — это относительно новая спецификация для более производительных шин, так что шины этого типа используют, в основном, для связи высокоскоростных внутренних компонентов, а APB, как более медленную — для периферии типа GPIO, UART  

Ядро CORTEX- M 3

• Гарвардская архитектура и трёхступенчатому конвейер.
• Ядро Cortex-M3 поддерживает набор инструкций Thumb-2, который содержит как 32-битные, так и 16-битные инструкции для сокращения объёма кода за счёт менее дальнобойных переходов;
• Имеет 13 регистров общего назначения, снижая потребность в частом доступе к памяти.

ARM Cortex – M3 Cortex – полнофункциональный процессор, включающий в себя ядро и системную периферию

Ядро Cortex – M3

Гарвардская архитектура

3х уровневый конвейер с модулем прогнозирования ветвлений

Поддержка Thumb и Thumb – 2

АЛУ с аппаратным делением(2 – 7 тактов) и умножением за 1 такт

Cortex – M3 процессор

Ядро Cortex – M3.

Конфигурируемый контроллер вложенных прерываний Матрица шин

Дополнительные компоненты отладки

Архитектурой Cortex-M3 предусмотрены 4 шины, подключенных к матрице:

• ICode, для выборки инструкций и векторов прерываний -для пользовательского кода. 32-битная шина AHB-Lite типа.
• DCode, для выборки/записи данных и отладочного доступа — для пользовательского кода. 32-битная шина AHB-Lite типа.
• System, для выборки инструкций и векторов прерываний, а также выборки/записи данных и отладочного доступа в системном пространстве — для внутренних компонентов МК. 32-битная шина AHB-типа.
• PPB ( P rivate  P eripheral  B us), для выборки/записи данных и отладочного доступа — для периферии. 32-битная шина APB-типа.

СИСТЕМНОЕ ПРОГРАММИРОВАНИЕ

БИБЛИОТЕКА ПОДДЕРЖКИ ЯДРА

• Ядро ARM Cortex-M3 выходит за рамки обычного понятия ядра микроконтроллера и представляет собой мини-микроконтроллер с периферией - встроенные системный таймер, контроллер прерываний и т.д.

Стандартная библиотека поддержки ядра - CMSIS разработана

компанией ARM .

CMSIS предоставляет собой файлы определения констант и определения символьных имен, библиотеку функций доступа к регистрам и периферийным модулям ядра и интерфейса пользовательского ПО для операционных систем реального времени (RTOS).

.

СТРУКТУРА CMSIS

CMSIS состоит из трех файлов:

• core_m3.h - вспомогательные функции доступа к регистрам ядра;
• startup_stm32f10x_xx.s- набор файлов для каждой линейки семейства  STM32 , обеспечивающие инициализацию стека и таблицу векторов прерываний;
• system_stm32f10x.h- файл начальной инициализации тактовой частоты микроконтроллера

СТАНДАРТНАЯ БИБЛИОТЕКА STM32

Стандартная библиотека для работы с периферийными модулями написана в соответствии со стандартом ANSI C и может использоваться

с любым стандартизованным компилятором.

Библиотека состоит из двух взаимодополняющих составляющих :

- заголовочных файлов и файлов реализации всей периферии микроконтроллеровSTM32 - STM32F10x_StdPeriph_Driver ;

- заголовочных файлов и файлов реализации ядра ARM Cortex-M3.

ОСВОЕНИЕ ПЛАТФОРМЫ

Отладочная плата STM32VLDiscovery  

Отладочная плата STM32VLDiscovery  предназначена для освоения платформы

Плата реализована на микроконтроллере линейки «Value Line» STM32F100RBT6.

Имеет программатор-отладчик ST-Link с выведенным разъемом SWD.

Свободные ножки микроконтроллера выведены на внешние разъемы.

STM32W – области применения

Устройства управления зданиями

Интеллектуальные энергосистемы

Беспроводные датчики для ZigBee Pro

Охранные системы и системы сигнализации

Изделия в стандарте RF4CE

Реализация протокола 6LoWPAN

Системы домашней автоматики и управления

Потребительская электроника

Заключение

Передовой 32 – разрядный МК ARM Cortex – M3

Прекрасные характеристики энергопотребления

Первоклассная периферия

Максимальная интеграция

Широкая линейка совместимых продуктов

Простая архитектура

Широчайший диапазон применения