基于STM32的《嵌入式系統(tǒng)》課程緒論課堂教學(xué)方法探討

侯鳳云

洛陽師范學(xué)院 信息技術(shù)學(xué)院 河南 洛陽 471934

一、引言

隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新型信息技術(shù)的發(fā)展，物理世界和信息世界被有機(jī)融合在一起，針對(duì)不同應(yīng)用場合的要求，實(shí)現(xiàn)智能化控制。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得益于云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能的支持，發(fā)展迅速。《嵌入式系統(tǒng)》是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的主干課程之一，通過緒論對(duì)課程和相關(guān)信息技術(shù)有個(gè)整體的把握和了解，為課程后續(xù)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

二、嵌入式系統(tǒng)的行業(yè)地位

物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能是一脈相承的，構(gòu)成了一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。云計(jì)算，即管理數(shù)據(jù)中心，主要管理計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源和網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)資源的靈活配置；大數(shù)據(jù)，從各種各樣的數(shù)據(jù)中，快速獲得有價(jià)值信息的能力，就是大數(shù)據(jù)技術(shù)，它是數(shù)據(jù)分析的利器；人工智能，根據(jù)大量的歷史資料和實(shí)時(shí)觀察找出對(duì)于未來預(yù)測性的洞察，可以處理和從中學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)越多，預(yù)測越準(zhǔn)確；物聯(lián)網(wǎng)，將傳感器和智能處理結(jié)合，進(jìn)行資料收集工作。嵌入式系統(tǒng)運(yùn)用于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)分層架構(gòu)的各個(gè)部分，利用嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建并實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，諸如智能交通、智能家居、智能農(nóng)業(yè)等。

三、課程特點(diǎn)

《嵌入式系統(tǒng)》是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)偏硬件方向的課程，內(nèi)容涉及面廣，包括計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)、通信技術(shù)和電子技術(shù)等專業(yè)知識(shí)，課程實(shí)踐性強(qiáng)。課程以STM32系列微控制器為研究對(duì)象，在閱讀并熟悉STM32使用說明的前提下，通過大量的實(shí)驗(yàn)，動(dòng)手調(diào)試，才能掌握微控制器(微控制器是嵌入式系統(tǒng)的核心)片內(nèi)外設(shè)的使用，進(jìn)一步理解STM32的相關(guān)基本原理。

四、嵌入式系統(tǒng)與ARM簡介

什么是嵌入式系統(tǒng)?從技術(shù)角度定義:以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。從系統(tǒng)角度定義:嵌入式系統(tǒng)是設(shè)計(jì)完成復(fù)雜功能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在一起的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。定義表明一些嵌入式系統(tǒng)通常是更大系統(tǒng)中的一個(gè)完成部分，稱為嵌入的系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，核心是微控制器。手機(jī)是典型的嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品，其主要功能當(dāng)然是通信和娛樂，從手機(jī)的體積、操作系統(tǒng)、內(nèi)存到功耗，和通用的個(gè)人計(jì)算機(jī)相比較，其具有專用、功耗低、體積小和操作系統(tǒng)和內(nèi)存容量小等特點(diǎn)。

提及嵌入式系統(tǒng)，必須要談到ARM。ARM有兩重意思:一是指公司名，ARM公司1991年成立于英國劍橋，只設(shè)計(jì)芯片，但不生產(chǎn)芯片，出售半導(dǎo)體知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)給芯片生產(chǎn)商；二是指一類處理器的通稱，或一種技術(shù)。ARM技術(shù)占有超高的市場份額，世界上95%以上的智能手機(jī)和平板電腦都采用ARM架構(gòu)，基于ARM技術(shù)的微處理器(32位，RISC)占75%的市場份額，課程的研究對(duì)象STM32系列微控制器也是基于ARM技術(shù)、32位、RISC(精簡指令集計(jì)算機(jī))的產(chǎn)品。

世界著名的芯片生產(chǎn)商，如IBM、Motorola、ST、PHILIPS、INTEL、SAMSUNG、SHARP、ATMEL等，購買 ARM 技術(shù)后，把內(nèi)核和外設(shè)做好，就是微控制器。生產(chǎn)商根據(jù)需要可裁剪內(nèi)核，ARM公司也給芯片生產(chǎn)商提供外設(shè)技術(shù)，前面提到的ARM是處理器，加上輸入/輸出端口、中斷控制器、DMA、定時(shí)器、A/D和D/A、串行接口等片內(nèi)外設(shè)，即做成了微控制器，如STM32系列。STM32是意法半導(dǎo)體有限公司(ST公司)推出，基于ARM Cortex－M內(nèi)核的一系列微控制器。

ARM處理器是基于低功耗、低成本、高性能的需求而設(shè)計(jì)的，按照應(yīng)用特征主要介紹以下幾個(gè)ARM微處理器系列:

(1)ARM7TDM1系列，用于工業(yè)微控制器

(2)ARM9E系列，用于高性能實(shí)時(shí)系統(tǒng)

(3)ARM11系列，高端應(yīng)用處理器

(4)Cortex系列(又分為Cortex－A、Cortex－R和Cortex－M系列)

2010年之前，ARM7TDM1、ARM9E、ARM11系列處理器應(yīng)用于各種用途的嵌入式系統(tǒng)。隨著ARM技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，功能更強(qiáng)，使用更加方便。2010年以后，Cortex系列逐漸擔(dān)當(dāng)了重任，Cortex－M、Cortex－R、Cortex－A系列分別取代了ARM7TDM1、ARM9E、ARM11系列，其中Cortex－M系列，針對(duì)工業(yè)控制，有 M0、M3、M4、M7，具有很高的性價(jià)比；Cortex－R系列，用于高性能實(shí)時(shí)控制，如硬盤控制器、移動(dòng)通信的基帶控制器；Cortex－A系列是高端應(yīng)用處理器，用于智能手機(jī)、平板電腦等。

ARM微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域:

(1)工業(yè)控制領(lǐng)域，如工業(yè)機(jī)器人、機(jī)械手。

(2)無線通信領(lǐng)域，85%的無線通信設(shè)備用到ARM技術(shù)。

(3)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，如通信基站的交換機(jī)、路由器等。

(4)消費(fèi)類電子產(chǎn)品，如手機(jī)、機(jī)頂盒等。

(5)成像和安全產(chǎn)品，如數(shù)碼相機(jī)、打印機(jī)、油煙機(jī)等。

ARM微處理器有以下特點(diǎn):

(1)體積小、低功耗、低成本、高性能。

(2)支持Thumb/ARM雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件。

(3)大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快。

(4)大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中進(jìn)行。

(5)尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高。

(6)指令長度固定(32位或16位)。

五、教學(xué)內(nèi)容

課程以STM32F103ZET6(Cortex－M3內(nèi)核)為研究對(duì)象，這款微控制器用于工業(yè)控制，Cortex－M3是主流內(nèi)核，資源豐富，性價(jià)比高，可完成各種復(fù)雜的控制任務(wù)。課程的主要內(nèi)容如下:

1.STM32基本原理

這部分內(nèi)容相當(dāng)于是STM32微控制器的使用說明書，ST公司根據(jù)不同的微控制器系列在官方網(wǎng)站發(fā)布了使用手冊(cè)。教材上介紹的只是最基礎(chǔ)的部分，詳細(xì)內(nèi)容可參考STM32使用手冊(cè)，那么理論課上首先要弄懂最基礎(chǔ)部分，獲得使用STM32的入門知識(shí)。

2.硬件設(shè)計(jì)

介紹實(shí)驗(yàn)用開發(fā)板的硬件電路圖，包括微控制器的管腳圖、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、BOOT管腳接線、各元器件所需的穩(wěn)壓電源電路；片外外設(shè)的接口電路，如LCD、FLASH、ROM等，涉及微控制器的顯示、通信接口、DMA的使用；外接的用于輸入信號(hào)的按鍵開關(guān)電路、用于輸出驅(qū)動(dòng)的LED燈和蜂鳴器電路等；用于下載和調(diào)試的JTAG接口電路。開發(fā)板的各電子電路涉及電子技術(shù)和通訊技術(shù)方面的知識(shí)，讀懂這些電路，是片內(nèi)外設(shè)的使用和軟件開發(fā)的鋪墊。

3.STM32軟件開發(fā)

利用Keil5集成開發(fā)環(huán)境，介紹STM32微控制器的各個(gè)片內(nèi)外設(shè)的應(yīng)用，也就是如何使用C語言編寫程序。片內(nèi)外設(shè)主要包括GPIO通用輸入輸出接口、中斷控制器、DMA、定時(shí)器、ADC、DAC、通信接口(IIC、SPI、USART)。

為了方便使用STM32系列產(chǎn)品，Keil5集成開發(fā)環(huán)境可以安裝板級(jí)支持開發(fā)包(PACK包)，PACK包里包含底層操作封裝好的各種函數(shù)和文件，軟件開發(fā)時(shí)直接使用，容易上手。

STM32(包括其它微控制器)上是不能運(yùn)行開發(fā)環(huán)境的，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試方法如圖1所示:

圖1 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試流程

集成開發(fā)環(huán)境運(yùn)行在個(gè)人計(jì)算機(jī)上，也稱為上位機(jī)，STM32上運(yùn)行的是可執(zhí)行文件，STM32可稱為下位機(jī)或目標(biāo)板，通過集成開發(fā)環(huán)境可以監(jiān)控STM32的執(zhí)行情況。

六、教學(xué)目標(biāo)

通過理論和實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，應(yīng)實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)如下:

(1)了解Cortex－M3的架構(gòu)。

(2)掌握MDK Keil集成開發(fā)環(huán)境下STM32系列(Cortex－M3)微控制器(外設(shè)組件)的使用，實(shí)現(xiàn)簡單的控制要求。

《嵌入式系統(tǒng)》課程實(shí)踐性強(qiáng)，學(xué)習(xí)STM32的基本原理，最終是為了使用，比如設(shè)計(jì)一個(gè)具有避障功能的智能小車、設(shè)計(jì)一個(gè)語音燈光控制系統(tǒng)等。STM32的一些理論抽象難懂，必須通過實(shí)驗(yàn)，動(dòng)手調(diào)試，針對(duì)出現(xiàn)的問題，深入分析，多多交流，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，比如ST、ARM、Keil、CSDN的官方網(wǎng)站，提供了許多學(xué)習(xí)的案例、問題解決方案等。