【STM32学习1】基础知识与概念明晰

目录

前言

一、什么是嵌入式系统？

二、STM32框架

三、关于硬件与软件的一些概念

四、知名芯片厂商简介

总结

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前言

在开始学习STM32单片机之前，脑海中已经有了许多零碎的概念，在此对其做出明确的定义与解释，以增加知识学习的条理性。

一、什么是嵌入式系统？

        嵌入式系统（embedded system），是一种嵌入机械或电气系统内部、具有专一功能和实时计算性能的计算机系统。与我们通常意义上讲的计算机，也就是个人电脑（Personal Computer，PC）相比，嵌入式系统功能更为单一，而个人电脑更为灵活，可以满足用户多种不同的需要。比如电子手表，不需要电脑那样丰富的功能，里面的电子元件便可称为嵌入式系统。如果把个人电脑比作综合性大学，什么学科都有，则嵌入式系统就是职业技术学校，体量小，但够专业。

        随着电子技术的不断发展，诞生了许多的专业名词，包括CPU、MCU、MPU、DSP、单片机、Soc……他们的概念你中有我、我中有你，许多又是英文缩写，让人理解起来晕头转向。其实这些名词之间也没有什么明确的界限，许多只是因关注的角度不同而诞生。

• 中央处理单元（Central Processing Unit，CPU；Central Processor）：英文中又叫做central processor或者main processor。早期是指计算机中执行基本算术、逻辑、控制和输入/输出 (I/O) 操作的电子电路。不包括存储器、外围电路以及GPU等模块。
• 微处理器（Micro Processing Unit，MPU）：当前所有的CPU均可被称为微处理器，这是在CPU发展过程中诞生的名词。随着技术的进步，CPU在性能提升的同时体积也越来越小，为了突出这一特点有的人便把CPU称为MPU。MPU一词被广泛用于嵌入式领域，便不局限于CPU所包含的功能，GPU、DSP等专业的处理器也被归于微处理器。
• 微控制器（Micro Controller Unit，MCU）：一般又可以称为单片机（single-chip microcomputer），指的是嵌入式领域中把CPU、存储器、定时器、各种I/O接口都集成在一块芯片上的微型计算机。与微处理器相比，微控制器除了CPU一般还包括其他的计算机组成模块。

• 片上系统（System on a Chip，SoC）：嵌入式领域的名词，指集成在单一芯片上的电子系统，相较于微控制器，片上系统一般只功能更加强大的处理器。
• 图像处理单元（Graphic Processing Unit，GPU）：也就是我们常说的显卡，在计算机系统上执行绘图运算工作的处理器。
• 数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）：专门用于数字信号处理的微处理器。

 另外还有大家耳熟能详的PLC、PLD、FPGA等名词，概念简单描述以下

• 可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）：源于工业领域，具有微处理器，用于自动化控制的数字电子设备。早期的PLC用来代替继电器实现逻辑控制，然而随着计算机技术发展，PLC的结构与功能变得与一般计算机系统类似。可以理解为一种源于工业领域的计算机系统。
• 可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）：可以编辑硬件进而改变逻辑的集成电路，代表为现场可编辑逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）。相较于一般的微控制器（单片机）更偏向硬件编程，通过硬件描述语言在芯片上自定义集成电路。有的人将FPGA称作半集成电路。
• 专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）：依产品需求不同而定制的特殊规格集成电路，由于单个专用集成电路芯片的生产成本很高，如果出货量较小，有的时候使用可编程逻辑器件（如FPGA）来作为目标硬件实现集成电路设计。

        试着用一张图表示这些名词之间的关系，如有纰漏，敬请斧正。 

 

二、STM32框架

        STM32属于MCU，也是当下最流行的MCU之一。芯片内核采用的是ARM公司的Cortex-M架构，总体框架如下图所示

• CMSIS( Cortex Microcontroller Software Interface Standard )：翻译过来是ARM Cortex 微控制器软件接口标准，可以理解为ARM公司向各芯片厂商提供内核架构的同时，为了统一性，也提供了驱动这些内核的软件标准。芯片厂商只要使用了ARM公司的Cortex架构，在设计程序时就要采用CMSIS定义的标准。
• HAL（Hardware Abstract Layer）：翻译过来是硬件抽象层。这是ST公司依照CMSIS标准，将底层的寄存器操作与一些外设配置封装得到的代码库。这样统一了STM32众多型号芯片的开发代码，增强了代码的可移植性，但过多的封装层也降低了代码的运行效率。

简单来讲，CMSIS是ARM公司推出的统一接口标准，而HAL是ST公司在CMSIS基础上推出的封装层，他们的作用都是在芯片底层与用户程序之间添加一个中间层，用户就不需要过多了解芯片底层内核的操作方式，只需要掌握中间层接口的使用方法，便可驱动芯片。好比我不太懂打印机的内部电路、工作原理，但厂商已经帮我们拿一个大外壳把整个机器罩住，留了几个按键在外面，我只需要知道这几个按键的功能，按一按便可以打印出纸张。

        其实像HAL这样的封装库还有另外几种，只是我们这次选择了HAL库，其它的比如经典的标准外设库以及最新推出的LL库，或者我们直接对STM32的寄存器进行操作（STM32Snippets），它们各自有各自的优劣，如下表所示

三、关于硬件与软件的一些概念

• 硬件（Hardware）：计算机系统中的物理、有形部分，包括机箱、主板、显示器等。
• 软件（Software）：按照特定顺序组织的电脑数据与指令，计算机中的非有形部分。主要可以分为系统软件与应用软件。
• 固件（Firmware）： 一种特殊的软件，对于硬件内部更加贴近与重要。固件担任驱动芯片的最底层工作。
• 驱动（Driver）：为了适应不同的操作系统环境，为硬件提供的驱动硬件的小段代码一般被称为驱动，也是一种特殊的软件。相比于固件，驱动是为了在不同的操作系统上运行硬件而生，如果世界上只有一种操作系统，也就没有驱动存在的必要了。
• 中间件（Middleware）：提供系统软件与应用软件之间的连接，便于软件之间的沟通的软件。这样看来STM32相关的HAL库与CMISIS类似一种固件与中间件的结合。

四、芯片厂商简介

        我们在学习STM32嵌入式知识时，离不开使用各大公司的产品，这里对一些公司与其产品做一个简单的介绍

• ARM公司（英国，1991）：全球领先的半导体知识产权（IP）提供商。全世界超过95%的智能手机和平板电脑都采用ARM的架构 。ARM设计了大量高性价比、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。总的来讲ARM主要为各芯片厂商提供芯片架构与内核设计，不生产芯片。另外现在流行的嵌入式软件卡法系统Keil，其公司于2005年被ARM收购。
• 意法半导体（ST）公司（意大利、法国，1987）：是由意大利的SGS微电子公司和法国Thomson半导体公司合并而成，涉及的业务包括通信、汽车、计算机、消费等半导体工业的各个方面。ST公司是世界第一大专用模拟芯片和电源转换芯片制造商，世界第一大工业半导体和机顶盒芯片供应商，而且在分立器件、手机相机模块和车用集成电路领域居世界前列。我们使用的STM32便是其生产的一款32位MCU产品。
• 英特尔Intel（美国，1968）：如雷贯耳的半导体行业和计算创新领域的全球领先厂商。我们日常中电脑的CPU大多为Intel的产品。最早的51单片机便由Intel于1980年推出，后来各大芯片厂商推出的凡是兼容Intel 8051指令集的芯片均称为51单片机。
• 德州仪器（Texas Instruments，TI）（美国、1930）：是全球领先的半导体公司，为现实世界的信号处理提供创新的数字信号处理(DSP)及模拟器件技术。除半导体业务外，还提供包括传感与控制、教育产品和数字光源处理解决方案。

当然还有许多知名的芯片设计公司，比如我们熟知的苹果、AMD、英伟达等，只是与STM32关系不那么大，不再详述。

五、开发准备

• 集成开发环境（Integrated Development Environment，IDE）：辅助程序开发人员开发的应用软件，在开发工具内部就可以辅助编写源代码文本、并编译打包成为可用的程序。IDE通常包括编程语言编辑器、自动构建工具、通常还包括调试器，有些IDE包含编译器。著名的IDE有Microsoft Visual Stdio、MyEclipse、PyCharm……STM32CubeIDE就是ST官方推出的一款专门用于开发STM32程序的IDE。

        许多人的习惯是在STM32CubeMX中作基础的配置，然后在Keil中添加代码，完成编译、烧录与调试。但这样毕竟是两个程序，STM32CubeIDE则集合了这两者的功能，并且也是官方推出，所以也可以尝试使用一下这款软件。这款软件基于eclipse开发，界面都十分相似，所以熟悉java以及eclipse的朋友使用这款软件会十分得心应手。

        对于要使用的每个STM32芯片，首先我们手上必备的两本手册（ST官网有pdf版）：

• 参考手册（Reference manual）
• 数据手册（Datasheet）

        其中参考手册包括各个功能模块的具体信息、原理、各种工作模式介绍、配置方法以及寄存器相关信息；数据手册包括芯片的基本参数、引脚数量与各自功能、电气特性、封装信息等内容。一般在选型与硬件设计阶段，参考数据手册多一些，而到了程序设计阶段，参考手册就是必须的了。以下是STM32G4系列的参考手册的“自我介绍”：

        本参考手册的目标是应用程序开发人员。 它提供了关于的完整信息如何使用STM32G4系列单片机的内存和外设。  

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总结

        介绍了嵌入式的一些基本概念，STM32的运行框架，一些关于硬件与软件的概念，以及一些芯片厂商。最后简单提了提一些开发STM32的工具与文档。