В. Бродин, И. Булатов, И. Арищенко
В статье представлены модули TE-STM32F407 и TE-STM32F417 компании Терраэлектроника, выполненные на микроконтроллерах STM32 F4 компании STMicroelectronics.
Микроконтроллеры STM32 F4 сейчас являются самыми быстрыми среди микросхем с ядром Cortex-M. Они имеют развитую периферию, включая блок криптографии и интерфейс USB HS.
Рассматриваемые модули могут использоваться при изучении микроконтроллеров c ядром Cortex-M4, макетировании систем управления, для установки в серийные изделия.
Программы тестирования модулей используют библиотеки Standard Peripheral Library.
1. Особенности микроконтроллеров STM32 F4
Микроконтроллеры STM32 F4 компании STMicroelectronics являются в настоящее время самыми быстрыми среди микросхем с ядром Cortex-M. Их максимальная частота составляет 168 МГц, причем специалистам удалось добиться согласованной работы процессора и внутренней памяти программ без тактов ожидания на всех частотах, вплоть до максимальной. Это достигнуто за счет введения специального блока ART AcceleratorTM. На максимальной тактовой частоте 168 МГц быстродействие центрального процессора составляет 210 DMIPS.
Добавить в ядро Cortex-M арифметику с плавающей точкой стало возможным за счет увеличения степени интеграции кристаллов, обеспеченной топологическими нормами 90 нм. Таким образом, появилось ядро Cortex-M4, которое является основой микроконтроллеров STM32 F4. В семействе STM32 линейка F4 является старшей, структура ее микроконтроллеров приведена на Рисунке 1.
 |
|
| Рисунок 1. | Структура микроконтроллеров STM32 F4. |
Процессорное ядро микроконтроллеров STM32 F4, кроме базового набора команд ядра Cortex-M3, обеспечивает выполнение набора одноцикловых команд умножения с накоплением (MAC), команд управления потоком данных (SIMD) и арифметических команд «с насыщением». Ядро включает модуль выполнения операций с плавающей точкой (FPU) и модуль защиты памяти (MPU).
Блок FSMC в семействе STM32 F4 позволяет работать с оперативной памятью SRAM и PSRAM, flash-памятью NOR, NAND, Compact Flash и LCD 8080/6800.
Набор интерфейсов микроконтроллеров STM32 F4 включает порты Ethernet и USB FS/HS OTG, два порта CAN.
Удобство применения и надежность работы устройства увеличивают два внутренних RC генератора – 16 МГц и 32 кГц. Область применения микроконтроллеров расширяет встроенный контроллер цифровой видеокамеры. Коэффициент энергопотребления составляет около 230 мкА/МГц.
Увеличенная скорость преобразования 12-разрядных АЦП – 2.4 MSPS (7.2 MSPS при групповой работе), наряду с новым набором DSP-команд, позволяют семейству STM32 F4 занимать передовые позиции в классе сигнальных микроконтроллеров.
Отличительной особенностью микроконтроллера STM32F417 является встроенный процессор криптографии.
За прошедшее время микроконтроллеры STM32 проявили себя как удобные для проектирования и надежно работающие электронные компоненты. Их программирование поддержано обширными библиотеками Standard Peripheral Library, которые позволяют использовать отлаженные функции ввода/вывода.
2. Модули компании «Терраэлектроника» на микроконтроллерах STM32 F4
Компания «Терраэлектроника» разработала на основе микроконтроллеров STM32 F4 два типа модулей: двухплатное решение, включающее модули TE-STM32F417MCU и TE-STM32DB1, и одноплатное решение – модуль TE-STM32F407. Первое решение основано на микроконтроллере с блоком криптографии, на плате установлена оперативная и flash-память большого объема. Модуль TE-STM32F417MCU может применяться как самостоятельно, так и совместно с интерфейсной платой TE-STM32DB1. Второе решение представляет собой многоцелевой производительный модуль с расширенным набором коммуникационных интерфейсов.
Модуль TE-STM32F417 (Рисунок 2) выполнен на микроконтроллере STM32F417ZGT6, который имеет в своем составе процессор криптографии.
 |
|
| Рисунок 2. | Модуль TE-STM32F417. |
Для реализации алгоритмов обработки сигналов и криптографии, хранения данных модуль имеет большую внешнюю оперативную и flash-память (PSRAM 16MB, NAND-Flash 64MB). Для программирования и отладки установлен разъем JTAG, линии портов микроконтроллера выведены на два штыревых разъема.
Интерфейсная плата TE-STM32DB1 (Рисунок 3) предназначена для установки модулей TE-STM32F217/417. Она включает порты Ethernet, USB HS и FS, CAN и RS-485.
 |
|
| Рисунок 3. | Модуль TE-STM32DB1. |
На Рисунке 4 показан тандем модулей TE-STM32F417 и TE-STM32DB1.
 |
|
| Рисунок 4. | Тандем модулей TE-STM32F417 и TE-STM32DB1. |
Модуль TE-STM32F407 выполнен на микроконтроллере STM32F207VGT6, процессорное ядро которого работает с внутренней флэш-памятью объемом 1 Мбайт на частотах до 168 МГц. В корпусе LQFP100 доступны 128 Кбайт ОЗУ, три 12-разрядных АЦП, два 12-разрядных ЦАП. Набор интерфейсов включает Ethernet MAC 10/100, USB OTG, 2×CAN, 5×USART, 3× SPI, I2C, SDIO.
При производстве модуля TE-STM32F407 (Рисунок 5) используется универсальная плата, на которой могут быть установлены микроконтроллеры STM32F107 и STM32F207. На плате, кроме микроконтроллера, установлены: SPI флэш-память AT45DB161D (16 Мбит), разъемы и драйверы порта Ethernet и двух портов CAN, разъем порта USB OTG, разъемы и драйверы двух портов RS-232. Для программирования и отладки предназначен разъем JTAG, 31 линия портов микроконтроллера выведена на двухрядный штыревой разъем. Имеются, также, аудио-усилитель и динамик.
 |
|
| Рисунок 5. | Модуль TE-STM32F407. |
Этот функциональный набор аппаратных средств открывает большие возможности управления и обработки сигналов. Кроме того, модуль TE-STM32F407 способен работать в тандеме с дисплейными модулями TE-ULCD35/TE-ULCD3556 [1].
3. Библиотека STM32F4хx DSP and Standard Peripherals Library
Создание встраиваемого программного обеспечения для 32-разрядных микроконтроллеров в настоящее время является одним из основных факторов, определяющих стоимость разработки аппаратно-программного решения. Для ускорения разработок и снижения затрат компания STMicroelectronics предоставляет разработчикам бесплатную библиотеку STM32F4хx DSP and Standard Peripherals Library. Собственно библиотека состоит из двух частей – библиотеки функций управления ядром Cortex-M, иначе библиотеки CMSIS, и библиотеки функций управления периферийными блоками микроконтроллеров STM32F4, называемой библиотекой STM32F4хx_StdPeriph_Driver.
Ядро Cortex-M, разработанное компанией ARM, одинаково в микроконтроллерах различных производителей и включает, кроме процессора, периферию ядра – схему ФАПЧ и систему управление питанием, контроллер прерываний NVIC, интерфейс отладки ITM уровня приложения, системный таймер SysTick и т.д.
Компания ARM для программирования микроконтроллеров с ядром Cortex-M предложила использовать стандарт CMSIS (Cortex Microcontroller Software Interface Standard). Он определяет внутренний слой встраиваемого ПО, связывающий аппаратуру ядра с приложениями, и не касается особенностей микроконтроллеров за пределами ядра. CMSIS реализован в виде библиотеки программных функций, которая содержит:
- Объявления регистров периферии ядра и прерываний;
- Функции работы с периферией ядра Cortex-M;
- Библиотеку DSP (цифровой обработки сигналов) – оптимизированные функции обработки сигналов и поддержки SIMD (single instruction, multiple data ) для ядра Cortex-M4.
Библиотека CMSIS включает, кроме собственно библиотечных файлов, исходные тексты функций, примеры и проекты для различных систем программирования.
Библиотека STM32F4хx_StdPeriph_Driver является библиотекой драйверов периферийных устройств для микроконтроллеров STM32 F4. В отличие от CMSIS, эта библиотека предоставляется компанией STMicroelectronics и обслуживает периферию за рамками ядра Cortex – периферию, которую в микроконтроллер добавил производитель микросхемы.
В настоящее время функции библиотеки позволяют работать со следующими блоками микроконтроллера (Таблица 1):
| Таблица 1. Функции библиотеки STM32F4хx_StdPeriph_Driver | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
В библиотеку STM32F4хx DSP and Standard Peripherals Library включены, также, проекты примеров работы с различными блоками микроконтроллеров STM32 F4. Проекты существуют для пяти различных систем программирования.
4. Тестирующие программы модуля TE-STM32F4хх
Программа тестирования модуля TE-STM32F417MCU проверяет работу микроконтроллера при обращениях к микросхемам PSRAM и NAND-flash через интерфейс FSMC. Итогом тестирования является заключение об удачном/неудачном выполнении записи/чтения тестовых данных.
Перед началом выполнения теста тестирующую программу необходимо загрузить в проверяемый модуль. В комплекте ПО на компакт-диске присутствуют два файла:
- TESTs est.hex – прошивка в шестнадцатеричном формате INTEL, которую можно загрузить любым программатором,поддерживающим программирование stm32F417;
- workspace e-mini-stm32f417outoutimage.elf – ELF-образ прошивки, пригодный для программирования с помощью OpenOCD/ARM USB OCD.
После подачи напряжения питания или системного сброса тестируемый модуль выполняет следующую последовательность действий:
- первичная инициализация;
- генерация и вывод на светодиод 3х импульсов частотой 2 Гц (маркер начала теста PSRAM);
- выполнение теста PSRAM
в случае неудачи теста, выполняется непрерывная периодическая генерация и вывод на светодиод импульсов частотой 4 Гц (Рисунок 6).
 |
|
| Рисунок 6. | В случае неудачи теста PSRAM, выполняется непрерывная периодическая генерация импульсов частотой 4 Гц. |
- генерация и вывод на светодиод 3х импульсов частотой 3 Гц (маркер начала теста NAND)
- выполнение теста NAND
в случае неудачи теста, выполняется непрерывная периодическая генерация и вывод на светодиод импульсов частотой 6 Гц (Рисунок 7)
 |
|
| Рисунок 7. | В случае неудачи теста NAND, выполняется непрерывная периодическая генерация импульсов частотой 6 Гц. |
- если оба теста выполнены удачно, выполняется непрерывная периодическая генерация и вывод на светодиод серий по 4 импульса с переменной частотой 2/20 Гц. Это состояние свидетельствует о работоспособности микроконтроллера, микросхем памяти PSRAM и NAND (Рисунок 8).
 |
|
| Рисунок 8. | Результат успешного выполнения тестов PSRAM и NAND. |
Программное обеспечение, разработанное для проверки и демонстрации возможностей комплекта из плат TE-STM32F417 и TE-STM32DB1, включает два проекта. Первый из них, Ethernet_DEMO, демонстрирует и проверяет работу портов Ethernet, RS-485 и CAN. Тандем плат, работающий под управлением этого проекта, предоставляет через порт Ethernet доступ к WEB-серверу, при помощи которого можно принимать/отправлять данные по портам CAN и RS-485. Другими словами, тандем плат можно подключить к локальной вычислительной сети Ethernet, на персональном компьютере зайти на страницу WEB-сервера и отправлять/принимать данные по портам RS-485 и CAN.
Второй проект, SD_CardReader, демонстрирует и проверяет работу интерфейсов SDIO (SD card), USB HS, USB FS. В данном примере возможна одновременная работа только одного из интерфейсов USB (оба интерфейса не работают в примере одновременно), выбор интерфейса осуществляется выбором конфигурации проекта перед его компиляцией. При подключении к персональному компьютеру тандем плат опознается как считыватель SD карт (реализован стандартный класс USB Mass Storage Device), при наличии в слоте SD карты ее содержимое будет доступно для чтения/модификации. Порты USB работают с одинаковой скоростью, поскольку для порта USB HS используется встроенный в микроконтроллер трансивер физического уровня (PHY).
5. Заключение
Компания STMicroelectronics линейкой STM32 F4 действительно установила новый рекорд быстродействия среди 32-разрядных микроконтроллеров с ядром Cortex-M. Кроме того, компания обеспечивает очень хорошую поддержку разработчиков в виде бесплатных библиотек программного обеспечения и бюджетных средств отладки.
Компания Терраэлектроника предлагает многоцелевые модули TE-STM32F407 и TE-STM32F417 как средство максимального ускорения для разработчиков пути от изучения новых микроконтроллеров до их применения в приборах и системах. Эти модули могут применяться при:
- освоении микроконтроллеров STM32 F4, как начинающими, так и опытными разработчиками;
- разработке, макетировании и отладке новых изделий;
- в качестве готовых узлов серийных систем.
Бюджетный эмулятор/программатор TE-ST-LINK, который «Терраэлектроника» производит по лицензии компании STMicroelectronics, может быть использован при работе с этими модулями.
Разработчики могут приобрести микроконтроллеры линейки STM32 F4 и модули TE-STM32F407/417 в компании Терраэлектроника, а также получить консультации инженеров по вопросам их применения.
Литература
- В. Бродин «Модульная микроконтроллерная система с разделением функций управления и отображения информации», Электронные компоненты, №3, 2010 г., с. 24-26
