STM32基础1：嵌入式历史与生态

嵌入式历史与生态目录嵌入式历史与生态一、历史生态问题1.1.计算机发展的底层驱动1.2.军转民1.3.摩尔定律1.4.通用与专用1.5.嵌入式系统的诞生1.6.嵌入式命名的由来二、认识计算机2.1.个人电脑PC2.2.智能手机、平板电脑2.3.服务器2.4.单片机三、嵌入式系统的技术方向3.1.MCU 方向3.2.应用处理器方向3.3.FPGA 方向3.4.DSP 方向四、发展生态问题4.1.芯片与架构4.2.ARM 发展史4.3.Soc4.4.ARM-Cortex4.5.意法半导体4.6.MCU4.7.STM32 系列4.8.MCU选型五、MCU 的产品化5.1.终端产品公司5.2.培训机构5.3.供应链示意图六、STM32 的生态与环境6.1.文档化逻辑6.2.嵌入式开发的文档6.3.嵌入式开发岗位6.4.开发工具一、历史生态问题1.1.计算机发展的底层驱动1946 年 2 月 14 号美国人发明第一台计算机埃尼阿克用来计算炮弹弹道轨迹二战结束世界格局进入美苏冷战阶段1991 年苏联解体双方斗争一直在进行比如军备竞赛、科技竞赛计算机就是在冷战期间诞生的新的科学技术与产品设备嵌入式系统作为计算机的一个发展分支也随之发展起来1.2.军转民在这种斗争背景下新的科技在诞生初阶基本是以国家为主导主要应用于军工领域电子计算机为了计算弹道、破译密码而创建互联网为了在核战争下仍能分散指挥而创建全球定位系统为了让军队由实时、全天候定位导航而创建集成电路与微处理器为了自导导弹制导航天计算机而创建为了让科技持续创新就必须给政府增加新的收入增长点让军用转为民用产生的结果不仅为政府提供税收解决就业问题同时也为民转军提供土壤1.3.摩尔定律1965 年英特尔公司的联合创始人戈登摩尔在《电子学》杂志上发表了一篇文章他观察到每隔 12 个月芯片上可容纳的晶体管数量就会翻一倍提出了摩尔定律集成电路上可容纳的晶体管数目约每隔 18~24 个月便会增加一倍摩尔定律为计算机小型化提供可能推动了嵌入式系统的诞生与普及1.4.通用与专用计算机在民用的转化中具体的方案由人们的需求而定产生了通用与专用的计算机通用计算机网民有听歌、看电影、打游戏、写文档的需求就有个人计算机国家有科学研究、密码破译、天气预报的需求就有超级计算机专用计算机电视、冰箱、洗衣机、无人机、空调、微波炉、汽车、机械臂...并不需要像电脑那样能装各种软件只需要稳定、高效、低功耗地完成一个或多个特定任务就有了专用计算机即嵌入式系统专用计算机是为了解决低成本解决一个特定领域的问题1.5.嵌入式系统的诞生嵌入式系统当开始诞生的时候主要用于军工领域在 1970 年代嵌入式系统是把计算机嵌入到导弹、战斗机、潜艇、雷达里直到 1980 年代中后期民用领域才开始极少量使用 MCU阶段时间代表事件与技术1. 萌芽期纯军工应用1960s阿波罗导航计算机 (AGC)、F-14 战斗机 MP944 芯片2. 技术溢出分工与小型化1970sIntel 4004(1971)首个商用微处理器TMS1000(1974)首个 MCU单片机3. 民用扩展进入工业与高端消费1980sIntel 8051 (1980)经典单片机汽车电子、工业 PLC 普及4. 全面普及后 PC 时代1990s诺基亚手机、VCD/DVD、信息家电爆发1.6.嵌入式命名的由来芯片与电路板都被包装嵌入在设备外壳内部软硬件都是为一个或多个特定的功能定做嵌入到应用场景嵌入式的设计特点实时性汽车刹车资源受限为了节省成本系统的存储空间与运算能力有限低功耗与低成本电池供电持久二、认识计算机2.1.个人电脑PC2.2.智能手机、平板电脑2.3.服务器特点高性能、高成本2.4.单片机特点低性能、低成本单片机与嵌入式系统单片机是一个具体的、可编程的 Soc 芯片嵌入式系统是一个单片机作为大脑由外围硬件电路、外部设备、嵌入式软件所组成的一个系统三、嵌入式系统的技术方向3.1.MCU 方向MCUMicro Controller Unit将处理器、存储器、外设接口集成在单一芯片上的微处理器强调实时性、低功耗、低成本运行裸机程序或轻量级 RTOS实时操作系统相关芯片STSTM32F103STM32F407STM32H743EspressifESP32ESP32-C3/S3易兆创新GD32F103GF32E230应用领域消费电子遥控器、小家电、智能手环、智能手表工业控制电机驱动、传感器采集汽车电子车窗控制、雨刷控制、BMS 系统物联网终端智能灯泡、传感器节点、网关通信设备蓝牙模块、4G 模块、Zigbee 节点3.2.应用处理器方向以高性能 CPU 核心为主集成 GPUNPUISP多媒体强调高算力、丰富多媒体性能复杂的软件生态运行 Linux、Android 等复杂操作系统相关芯片NXPi.MX6ULL、i.MX8M Plus瑞芯微RK3568、RK3588博通BCM2711树莓派4BCM2712树莓派5应用领域智能终端手机、平板、智能手表车载娱乐车机、仪表盘、行车记录仪工业互联网边缘计算网关自动驾驶、工业HMI智能屏机器人、无人机视觉导航、SLAM 计算智慧大屏广告机、教育一体机3.3.FPGA 方向FPGAField-Programmable Gate Array现场可编程门阵列内部包含大量可编程逻辑块、可编程互连线、I/O 模块的半导体器件用户通过编写 HDL 代码来定义硬件逻辑实现任意数字电路功能相关芯片XillinxSpartan-7、Artix-7安路科技EF2、EG4应用领域通信、5G基带信号处理、协处理仪加速视频图像处理高速视频缩放、色彩空间转换工业控制高速数据采集、多轴伺服控制航空航天星载计算、机载雷达AI推理加速CNN 加速器3.4.DSP 方向DSPDigital Signal Processor数字信号处理器专门为数字信号处理算法优化的处理器相关芯片TITMS320C60000ADIADSP-21489应用领域音频处理主动降噪、语音编解码、回声消除电机控制FOC 矢量控制四、发展生态问题4.1.芯片与架构架构CPU 的指令集、硬件体系、技术实现方案通用计算机的 CPU芯片大多采用 x86嵌入式系统的 CPU芯片常见架构 C51、ARM、PPC、MIPS、Xtensa、RISC-VARM 架构的 CPU 应用范围最广大量嵌入式产品都是基于 ARM 架构4.2.ARM 发展史PC 时代英特尔和微软联合对抗苹果苹果扶持了 ARM 芯片厂商来对标英特尔1983 年Acorn 被英特尔拒绝授权 x86 被迫自研低功耗 RISC1990 年ARM 公司业资金缺乏被迫不造芯片、只设计芯片卖 CPU IP 授权芯片设计方案1997 年诺基亚功能机采用 ARM 芯片2004 年Cortex-M 系列发布ARM 公司开始统治嵌入式 MCU 领域2007 年iPhone搭载 ARM 架构处理器开启了智能手机时代4.3.SocSocSystem On a Chip片上系统把一个完整的电子系统集成到单个芯片传统电脑主板的各个功能部件是独立的处理器、内存、显卡、声卡、网卡各个部件通过电路板上的总线连接距离远、速度慢、功耗大Soc 将各个功能部件集成一块芯片距离近、速度快、功耗低ARM 把 CPU IP 授权卖给芯片公司芯片公司形成各自的 Soc 方案芯片公司将 Soc 方案交给三星或台积电代工测试后生成 Soc 芯片终端产品公司将 Soc 芯片和其他组件进行组装生成终端产品PC 使用的是 x86 架构的 CPU 手机使用的是 ARM 架构的 CPU被 Soc 芯片集成4.4.ARM-Cortex在不同的场景下CPU 对性能、功耗、安全性、实时性的要求都不同ARM 提供不同等级的 CPU IP 授权满足各领域的芯片厂商需求CPU,-Arm IP-安谋科技https://www.armchina.com/armip?dataId13istitleCPU,X Extreme A Application R Real-time M MicrocontrollerCPU 系列核心特点典型应用场景采购 / 使用公司示例Cortex‑X极致性能旗舰智能手机、高性能 PC苹果、高通、联发科、三星Cortex‑A高性能智能手机、平板、服务器、智能汽车、智能电视苹果、高通、华为、联发科、瑞芯微Cortex‑R高实时性汽车刹车、气囊、硬盘控制器、基带芯片意法半导体、恩智浦、德州仪器、博世Cortex‑M超低功耗微控制器 MCU、物联网传感器、可穿戴、工业控制意法半导体STM32、恩智浦、兆易创新4.5.意法半导体从 ARM 获得 Cortex-M 系列的 CPU IP 授权利用自身在混合信号、存储器等方面的专有技术将其设计、封装成一颗功能完整的 MCU 芯片其中最著名的就是STM32系列4.6.MCUMCUMincrocontroller Unit微控制单元在功能上把处理器CPU、存储器Flash、RAM、各种输入输出接口集成在一起的一个芯片在制造上在极纯的硅片上经过光刻、刻蚀、沉淀、离子注入等上百道工序把 CPU、Flash、RAM、ADC、定时器、串口等模块的晶体管一层层堆叠再把它们的内部连通形成完整芯片MCU 可以看作一种功能特定、高度集成的 Soc使用Soc常见是两种场景以手机应用处理器为例的 Soc主要解决的是算力问题以 MCU 为例的 Soc主要解决的是控制问题MCU 是一种专用的计算机专门低成本解决实时控制问题4.7.STM32 系列各个厂商都会生产 MCU比如恩智浦的 LPC 系列、德州仪器的 MSP430 系列国内易兆创新的 GD 系列乐鑫的 ESP32 系列意法半导体的 STM32 系列STM32 的命名构成ST意法半导体 M 微控制器 3232位SSGSSocietà Generale Semiconduttori 意⼤利半导体通⽤公司TThomsonThomson Semiconducteurs 法国汤姆逊半导体公司MCU 相当于“手机”STM32 相当于“华为手机”‘STM32 系列相当于“华为手机”的手机族STM32 系列STM32 | 产品 | STM32 | MCU单片机 | 意法半导体STM | STMCU中文官网https://www.stmcu.com.cn/Product/pro_detail/PRODUCTSTM32/productF Foundation基础G General-purpose通用L Low-power低功耗U Ultra-low-power超低功耗H High-performance高性能stm32F103_stm32F103采购信息-立创电子元器件商城https://so.szlcsc.com/global.html?kstm32F103hot-keyAPAN3124lcsc_vidQ1daUlMDFFdfVgcEFllXU1dfR1ZZX1ZUQFYLAlEEFlExVlNRT1ZaV1FfR1BdXzsOAxUeFF5JWA0NAgAHWQIASA%3D%3Dspmsc.hm.hd.ss产品系列内核架构典型型号核心特性应用领域超低功耗系列Cortex‑M0/M3/M4/M33STM32L0/L1/L4/L5/U0/U3/U5休眠电流低至 280nA支持动态电压调节智能手表、手环、血糖仪、水表、气表、温湿度传感器主流型系列Cortex‑M0/M3/M4STM32F0/F1/F3/G0/G4性价比突出外设丰富家电控制、工业传感器、HMI 人机界面、空调控制板、洗衣机面板、电子烟、数字电源、电动工具、HMI 触摸屏高性能系列Cortex‑M7/M4/M33STM32F2/F4/F7/H5/H7主频最高可达 600MHz支持 DSP/FPU协作机器人关节控制器、PLC 模块、无人机飞控、音频效果器无线系列Cortex‑M0/M33STM32WB/WL/WBA集成 BLE/Zigbee/LoRa 射频智能门锁、温控器、资产追踪标签、无线传感器节点、智能灯泡边缘 AI 系列Cortex‑M7NPUSTM32N6算力 600 GOPS支持神经网络推理智能摄像头人员检测、语音唤醒家电、瑕疵检测设备MPU 混合系列Cortex‑A7/A35 M4/M33STM32MP1/MP2双核异构支持 Linux/RTOS工业边缘网关、车联网 T‑Box、自助售货机、HMI 一体机工业网关、边缘计算终端4.8.MCU选型STM32F1 系列STM32F1 | 产品 | STM32 | MCU单片机 | 意法半导体STM | STMCU中文官网https://www.stmcu.com.cn/index.php/Product/pro_detail/cat_code/STM32F1/family/81/sub_family/124/layout/productSTM32F103 子系列STM32F103 | 产品 | STM32 | MCU单片机 | 意法半导体STM | STMCU中文官网https://www.stmcu.com.cn/Product/pro_detail/STM32F103/productSTM32F103ZET6 型号STM32F103 | 产品 | STM32 | MCU单片机 | 意法半导体STM | STMCU中文官网https://www.stmcu.com.cn/Product/pro_detail/STM32F103/product五、MCU 的产品化5.1.终端产品公司有了 MCU 后各种厂商比亚迪、大疆、九号、特斯拉就会基于 MCU 设计自己的开发板终端公司除了会采购合适的 MCU还会从不同供应商采购传感器、电源管理、通信、驱动芯片在此基础上进行电路原理设计将 MCU 与外设合理连接进入 PCB 设计环节把所有的元器件MCU、传感器、接口、电源等布局走线在同一印刷电路板5.2.培训机构采购 MCU通过 PCB 设计制作自己的开发板用于教学目的比如正点原子、野火、华清远见、普中科技最小系统板让一块芯片能够正常工作所需的最少电路集成在一张板子上5.3.供应链示意图六、STM32 的生态与环境6.1.文档化逻辑产业建立在分工之上技术领域知识浩如烟海不同人需要承担不同工作张三设计 CPU李四制造 MCU王五设计 PCB赵六编写嵌入式软件文档化可以打破各个领域之间的知识壁垒实现各种领域的协作文档化是嵌入式行业的常态阅读文档是工程师必然学习的过程6.2.嵌入式开发的文档ARM 授权 CPU IP还必须提供《技术参考手册》告诉 MCU 厂商如何集成 ARM 核心Cortex-M3 | Optimized for Wireless Networking and Sensors – Arm®https://www.arm.com/products/silicon-ip-cpu/cortex-m/cortex-m3MCU 厂商集成 CPU 和自研外设输出两份文档《数据手册》MCU芯片体检表引脚、电压、地址让硬件工程师画板子DS5792_STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE单片机数据手册 | STMCU中文官网https://www.stmcu.com.cn/Designresource/detail/document/696097《参考手册》MCU操作说明书寄存器每位含义让软件工程师写驱动RM0008_STM32F101xx,STM32F102xx,STM32F103xx,STM32F105xx和STM32F107xx单片机参考手册 | STMCU中文官网https://www.stmcu.com.cn/Designresource/detail/document/699481其他产品公司也会基于 MCU 设计自己的主板提供开发板的原理图6.3.嵌入式开发岗位6.4.开发工具工具公司主要解决问题Keil MDKArm 公司编译、链接、调试生成机器码VS Code微软现代化代码编辑器通过插件扩展开发环境STM32CubeMX意法半导体 (ST)图形化配置引脚、时钟自动生成初始化代码HAL 库意法半导体 (ST)提供硬件抽象层 API屏蔽寄存器操作提升代码可移植性Arm Keil | MDK-Community editionhttps://www.keil.arm.com/mdk-community/st.com/en/development-tools/stm32cubemx.htmlhttps://www.st.com/en/development-tools/stm32cubemx.html