基于STM32的《嵌入式系统》课程绪论课堂教学方法探讨

侯凤云

洛阳师范学院 信息技术学院 河南 洛阳 471934

一、引言

随着云计算、大数据、人工智能、物联网等新型信息技术的发展，物理世界和信息世界被有机融合在一起，针对不同应用场合的要求，实现智能化控制。物联网技术得益于云计算、大数据、人工智能的支持，发展迅速。《嵌入式系统》是物联网工程专业的主干课程之一，通过绪论对课程和相关信息技术有个整体的把握和了解，为课程后续理论知识的学习奠定基础。

二、嵌入式系统的行业地位

物联网、云计算、大数据和人工智能是一脉相承的，构成了一个完整的闭环控制系统。云计算，即管理数据中心，主要管理计算资源、存储资源和网络资源，实现资源的灵活配置；大数据，从各种各样的数据中，快速获得有价值信息的能力，就是大数据技术，它是数据分析的利器；人工智能，根据大量的历史资料和实时观察找出对于未来预测性的洞察，可以处理和从中学习的数据越多，预测越准确；物联网，将传感器和智能处理结合，进行资料收集工作。嵌入式系统运用于物联网系统分层架构的各个部分，利用嵌入式系统构建并实现了物联网系统，诸如智能交通、智能家居、智能农业等。

三、课程特点

《嵌入式系统》是物联网工程专业偏硬件方向的课程，内容涉及面广，包括计算机软、硬件技术、通信技术和电子技术等专业知识，课程实践性强。课程以STM32系列微控制器为研究对象，在阅读并熟悉STM32使用说明的前提下，通过大量的实验，动手调试，才能掌握微控制器(微控制器是嵌入式系统的核心)片内外设的使用，进一步理解STM32的相关基本原理。

四、嵌入式系统与ARM简介

什么是嵌入式系统?从技术角度定义:以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。从系统角度定义:嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。定义表明一些嵌入式系统通常是更大系统中的一个完成部分，称为嵌入的系统。嵌入式系统是专用计算机系统，核心是微控制器。手机是典型的嵌入式系统产品，其主要功能当然是通信和娱乐，从手机的体积、操作系统、内存到功耗，和通用的个人计算机相比较，其具有专用、功耗低、体积小和操作系统和内存容量小等特点。

提及嵌入式系统，必须要谈到ARM。ARM有两重意思:一是指公司名，ARM公司1991年成立于英国剑桥，只设计芯片，但不生产芯片，出售半导体知识产权(IP)给芯片生产商；二是指一类处理器的通称，或一种技术。ARM技术占有超高的市场份额，世界上95%以上的智能手机和平板电脑都采用ARM架构，基于ARM技术的微处理器(32位，RISC)占75%的市场份额，课程的研究对象STM32系列微控制器也是基于ARM技术、32位、RISC(精简指令集计算机)的产品。

世界著名的芯片生产商，如IBM、Motorola、ST、PHILIPS、INTEL、SAMSUNG、SHARP、ATMEL等，购买 ARM 技术后，把内核和外设做好，就是微控制器。生产商根据需要可裁剪内核，ARM公司也给芯片生产商提供外设技术，前面提到的ARM是处理器，加上输入/输出端口、中断控制器、DMA、定时器、A/D和D/A、串行接口等片内外设，即做成了微控制器，如STM32系列。STM32是意法半导体有限公司(ST公司)推出，基于ARM Cortex－M内核的一系列微控制器。

ARM处理器是基于低功耗、低成本、高性能的需求而设计的，按照应用特征主要介绍以下几个ARM微处理器系列:

(1)ARM7TDM1系列，用于工业微控制器

(2)ARM9E系列，用于高性能实时系统

(3)ARM11系列，高端应用处理器

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

2010年之前，ARM7TDM1、ARM9E、ARM11系列处理器应用于各种用途的嵌入式系统。随着ARM技术的不断完善和发展，功能更强，使用更加方便。2010年以后，Cortex系列逐渐担当了重任，Cortex－M、Cortex－R、Cortex－A系列分别取代了ARM7TDM1、ARM9E、ARM11系列，其中Cortex－M系列，针对工业控制，有 M0、M3、M4、M7，具有很高的性价比；Cortex－R系列，用于高性能实时控制，如硬盘控制器、移动通信的基带控制器；Cortex－A系列是高端应用处理器，用于智能手机、平板电脑等。

ARM微处理器的应用领域:

(1)工业控制领域，如工业机器人、机械手。

(2)无线通信领域，85%的无线通信设备用到ARM技术。

(3)网络应用，如通信基站的交换机、路由器等。

(4)消费类电子产品，如手机、机顶盒等。

(5)成像和安全产品，如数码相机、打印机、油烟机等。

ARM微处理器有以下特点:

(1)体积小、低功耗、低成本、高性能。

(2)支持Thumb/ARM双指令集，能很好的兼容8位/16位器件。

(3)大量使用寄存器，指令执行速度更快。

(4)大多数数据操作都在寄存器中进行。

(5)寻址方式灵活简单，执行效率高。

(6)指令长度固定(32位或16位)。

五、教学内容

课程以STM32F103ZET6(Cortex－M3内核)为研究对象，这款微控制器用于工业控制，Cortex－M3是主流内核，资源丰富，性价比高，可完成各种复杂的控制任务。课程的主要内容如下:

1.STM32基本原理

这部分内容相当于是STM32微控制器的使用说明书，ST公司根据不同的微控制器系列在官方网站发布了使用手册。教材上介绍的只是最基础的部分，详细内容可参考STM32使用手册，那么理论课上首先要弄懂最基础部分，获得使用STM32的入门知识。

2.硬件设计

介绍实验用开发板的硬件电路图，包括微控制器的管脚图、时钟电路、复位电路、BOOT管脚接线、各元器件所需的稳压电源电路；片外外设的接口电路，如LCD、FLASH、ROM等，涉及微控制器的显示、通信接口、DMA的使用；外接的用于输入信号的按键开关电路、用于输出驱动的LED灯和蜂鸣器电路等；用于下载和调试的JTAG接口电路。开发板的各电子电路涉及电子技术和通讯技术方面的知识，读懂这些电路，是片内外设的使用和软件开发的铺垫。

3.STM32软件开发

利用Keil5集成开发环境，介绍STM32微控制器的各个片内外设的应用，也就是如何使用C语言编写程序。片内外设主要包括GPIO通用输入输出接口、中断控制器、DMA、定时器、ADC、DAC、通信接口(IIC、SPI、USART)。

为了方便使用STM32系列产品，Keil5集成开发环境可以安装板级支持开发包(PACK包)，PACK包里包含底层操作封装好的各种函数和文件，软件开发时直接使用，容易上手。

STM32(包括其它微控制器)上是不能运行开发环境的，嵌入式系统的开发和调试方法如图1所示:

图1 嵌入式系统开发和调试流程

集成开发环境运行在个人计算机上，也称为上位机，STM32上运行的是可执行文件，STM32可称为下位机或目标板，通过集成开发环境可以监控STM32的执行情况。

六、教学目标

通过理论和实验的学习，应实现教学目标如下:

(1)了解Cortex－M3的架构。

(2)掌握MDK Keil集成开发环境下STM32系列(Cortex－M3)微控制器(外设组件)的使用，实现简单的控制要求。

《嵌入式系统》课程实践性强，学习STM32的基本原理，最终是为了使用，比如设计一个具有避障功能的智能小车、设计一个语音灯光控制系统等。STM32的一些理论抽象难懂，必须通过实验，动手调试，针对出现的问题，深入分析，多多交流，充分利用网络资源，比如ST、ARM、Keil、CSDN的官方网站，提供了许多学习的案例、问题解决方案等。