基于STM32的《嵌入式系統》課程緒論課堂教學方法探討

侯鳳云

洛陽師范學院 信息技術學院 河南 洛陽 471934

一、引言

隨著云計算、大數據、人工智能、物聯網等新型信息技術的發展，物理世界和信息世界被有機融合在一起，針對不同應用場合的要求，實現智能化控制。物聯網技術得益于云計算、大數據、人工智能的支持，發展迅速。《嵌入式系統》是物聯網工程專業的主干課程之一，通過緒論對課程和相關信息技術有個整體的把握和了解，為課程后續理論知識的學習奠定基礎。

二、嵌入式系統的行業地位

物聯網、云計算、大數據和人工智能是一脈相承的，構成了一個完整的閉環控制系統。云計算，即管理數據中心，主要管理計算資源、存儲資源和網絡資源，實現資源的靈活配置；大數據，從各種各樣的數據中，快速獲得有價值信息的能力，就是大數據技術，它是數據分析的利器；人工智能，根據大量的歷史資料和實時觀察找出對于未來預測性的洞察，可以處理和從中學習的數據越多，預測越準確；物聯網，將傳感器和智能處理結合，進行資料收集工作。嵌入式系統運用于物聯網系統分層架構的各個部分，利用嵌入式系統構建并實現了物聯網系統，諸如智能交通、智能家居、智能農業等。

三、課程特點

《嵌入式系統》是物聯網工程專業偏硬件方向的課程，內容涉及面廣，包括計算機軟、硬件技術、通信技術和電子技術等專業知識，課程實踐性強。課程以STM32系列微控制器為研究對象，在閱讀并熟悉STM32使用說明的前提下，通過大量的實驗，動手調試，才能掌握微控制器(微控制器是嵌入式系統的核心)片內外設的使用，進一步理解STM32的相關基本原理。

四、嵌入式系統與ARM簡介

什么是嵌入式系統?從技術角度定義:以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟、硬件可裁剪，適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。從系統角度定義:嵌入式系統是設計完成復雜功能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在一起的計算機系統。定義表明一些嵌入式系統通常是更大系統中的一個完成部分，稱為嵌入的系統。嵌入式系統是專用計算機系統，核心是微控制器。手機是典型的嵌入式系統產品，其主要功能當然是通信和娛樂，從手機的體積、操作系統、內存到功耗，和通用的個人計算機相比較，其具有專用、功耗低、體積小和操作系統和內存容量小等特點。

提及嵌入式系統，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，只設計芯片，但不生產芯片，出售半導體知識產權(IP)給芯片生產商；二是指一類處理器的通稱，或一種技術。ARM技術占有超高的市場份額，世界上95%以上的智能手機和平板電腦都采用ARM架構，基于ARM技術的微處理器(32位，RISC)占75%的市場份額，課程的研究對象STM32系列微控制器也是基于ARM技術、32位、RISC(精簡指令集計算機)的產品。

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

ARM處理器是基于低功耗、低成本、高性能的需求而設計的，按照應用特征主要介紹以下幾個ARM微處理器系列:

(1)ARM7TDM1系列，用于工業微控制器

(2)ARM9E系列，用于高性能實時系統

(3)ARM11系列，高端應用處理器

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

2010年之前，ARM7TDM1、ARM9E、ARM11系列處理器應用于各種用途的嵌入式系統。隨著ARM技術的不斷完善和發展，功能更強，使用更加方便。2010年以后，Cortex系列逐漸擔當了重任，Cortex－M、Cortex－R、Cortex－A系列分別取代了ARM7TDM1、ARM9E、ARM11系列，其中Cortex－M系列，針對工業控制，有 M0、M3、M4、M7，具有很高的性價比；Cortex－R系列，用于高性能實時控制，如硬盤控制器、移動通信的基帶控制器；Cortex－A系列是高端應用處理器，用于智能手機、平板電腦等。

ARM微處理器的應用領域:

(1)工業控制領域，如工業機器人、機械手。

(2)無線通信領域，85%的無線通信設備用到ARM技術。

(3)網絡應用，如通信基站的交換機、路由器等。

(4)消費類電子產品，如手機、機頂盒等。

(5)成像和安全產品，如數碼相機、打印機、油煙機等。

ARM微處理器有以下特點:

(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，指令執行速度更快。

(4)大多數數據操作都在寄存器中進行。

(5)尋址方式靈活簡單，執行效率高。

(6)指令長度固定(32位或16位)。

五、教學內容

課程以STM32F103ZET6(Cortex－M3內核)為研究對象，這款微控制器用于工業控制，Cortex－M3是主流內核，資源豐富，性價比高，可完成各種復雜的控制任務。課程的主要內容如下:

1.STM32基本原理

這部分內容相當于是STM32微控制器的使用說明書，ST公司根據不同的微控制器系列在官方網站發布了使用手冊。教材上介紹的只是最基礎的部分，詳細內容可參考STM32使用手冊，那么理論課上首先要弄懂最基礎部分，獲得使用STM32的入門知識。

2.硬件設計

介紹實驗用開發板的硬件電路圖，包括微控制器的管腳圖、時鐘電路、復位電路、BOOT管腳接線、各元器件所需的穩壓電源電路；片外外設的接口電路，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的按鍵開關電路、用于輸出驅動的LED燈和蜂鳴器電路等；用于下載和調試的JTAG接口電路。開發板的各電子電路涉及電子技術和通訊技術方面的知識，讀懂這些電路，是片內外設的使用和軟件開發的鋪墊。

3.STM32軟件開發

利用Keil5集成開發環境，介紹STM32微控制器的各個片內外設的應用，也就是如何使用C語言編寫程序。片內外設主要包括GPIO通用輸入輸出接口、中斷控制器、DMA、定時器、ADC、DAC、通信接口(IIC、SPI、USART)。

為了方便使用STM32系列產品，Keil5集成開發環境可以安裝板級支持開發包(PACK包)，PACK包里包含底層操作封裝好的各種函數和文件，軟件開發時直接使用，容易上手。

STM32(包括其它微控制器)上是不能運行開發環境的，嵌入式系統的開發和調試方法如圖1所示:

圖1 嵌入式系統開發和調試流程

集成開發環境運行在個人計算機上，也稱為上位機，STM32上運行的是可執行文件，STM32可稱為下位機或目標板，通過集成開發環境可以監控STM32的執行情況。

六、教學目標

通過理論和實驗的學習，應實現教學目標如下:

(1)了解Cortex－M3的架構。

(2)掌握MDK Keil集成開發環境下STM32系列(Cortex－M3)微控制器(外設組件)的使用，實現簡單的控制要求。

《嵌入式系統》課程實踐性強，學習STM32的基本原理，最終是為了使用，比如設計一個具有避障功能的智能小車、設計一個語音燈光控制系統等。STM32的一些理論抽象難懂，必須通過實驗，動手調試，針對出現的問題，深入分析，多多交流，充分利用網絡資源，比如ST、ARM、Keil、CSDN的官方網站，提供了許多學習的案例、問題解決方案等。