第4章 初识STM32—零死角玩转STM32-F429系列
第4章 初识STM32
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本章参考资料：1、《STM8和STM32产品选型手册》2、SetupSTM32CubeMX-4.11.0.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精典 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。
4.2.1 智能手环
图 41 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STM32F429至尊版资源对比
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资源 |
三星Gear Fit |
秉火STM32F429至尊版 |
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CPU |
STM32F439ZIY6S，WLCSP143封装 |
STM32F429IGT6，LQPF144 封装 |
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存储 |
NOR+SRAM 16MB，FSMC接口 |
SDRAM 8MB，FMC接口 |
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显示 |
1.84寸的 AMOLED，RGB接口，LTDC驱动 |
5寸电容屏，RGB接口，LTDC驱动 |
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陀螺仪 |
MPU6050，I2C接口 |
MPU6050，I2C接口 |
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无线通信 |
蓝牙:博通BCM4334，SDIO或者SPI接口 |
WIFI:美满W8782，SDIO接口 |
除了这几个重要资源的对比，我们的429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429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 42 ucosiii+emwin 做的系统界面（429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 43 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 44。
图 44 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 45 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和F4，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。
之于F1，F4（429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 42 STM8和STM32分类
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CPU位数 |
内核 |
系列 |
描述 |
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32 |
STM32-F0 |
入门级 |
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STM32-L0 |
低功耗 |
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Cortex-M3 |
STM32-F1 |
基础型，主频72M |
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STM32-F2 |
高性能 |
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STM32-L1 |
低功耗 |
||
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Cortex-M4 |
STM32-F3 |
混和信号 |
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|
STM32-F4 |
高性能，主频180M |
||
|
STM32-L4 |
低功耗 |
||
|
Cortex-M7 |
STM32-F7 |
高性能 |
|
|
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F429至尊版用的型号STM32F429IGT6来讲解下STM32的命名方法。
表格 43 STM32F429IGT6命名解释
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— |
STM32 |
F |
429 |
I |
G |
T |
6 |
|
家族 |
STM32 表示32bit的MCU |
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产品类型 |
F表示基础型 |
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具体特性 |
429表示高性能且带DSP和FPU |
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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 |
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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 |
||||||
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封装 |
T表示QFP封装，这个是最常用的封装 |
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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 46。
图 46 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。
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 44 画原理图时的引脚分类
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引脚分类 |
引脚说明说明 |
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电源 |
(VBAT)、(VDD VSS)、(VDDA VSSA)、(VREF+ VREF-)等 |
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晶振IO |
主晶振IO，RTC晶振IO |
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下载IO |
用于JTAG下载的IO：JTMS、JTCK、JTDI、JTDO、NJTRST |
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BOOT IO |
BOOT0、BOOT1，用于设置系统的启动方式 |
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复位IO |
NRST，用于外部复位 |
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上面5部分IO组成的系统我们也叫做最小系统 |
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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 |
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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 |
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如果还有剩下的IO，可根据项目需要引出或者不引出 |
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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
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手册 |
主要内容 |
说明 |
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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。 |
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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。 |
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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。 |
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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。 |
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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-150，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 46。
表格 46 数据手册中对引脚定义
表格 47 对引脚定义的解读
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名称 |
缩写 |
说明 |
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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8种封装型号，具体使用哪一种要根据实际情况来选择。 |
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② 引脚名称 |
指复位状态下的引脚名称 |
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③ 引脚类型 |
S |
电源引脚 |
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I |
输入引脚 |
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I/O |
输入/输出引脚 |
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④ I/O结构 |
FT |
兼容5V |
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TTa |
只支持3V3，且直接到ADC |
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① |
B |
BOOT引脚 |
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① |
RST |
复位引脚，内部带弱上拉 |
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⑤ 注意事项 |
对某些IO要注意的事项的特别说明 |
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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。 |
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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。 |
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3. 开始分配原理图IO
比如我们的F429至尊版使用的MCU型号是STM32F429IGT6，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
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