STM32CubeMX和HAL驅(qū)動(dòng)庫(kù)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)淺談

嵌入式系統(tǒng)是電子信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制等領(lǐng)域。本課程選用ST公司的STM32F4微控制器為載體，采用STM32CubeMX開(kāi)發(fā)工具及HAL驅(qū)動(dòng)庫(kù)，以嵌入式硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)為主線，按照“最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) → 開(kāi)發(fā)工具使用 → 片內(nèi)外設(shè)應(yīng)用” 的路徑，分層次、遞進(jìn)式的講授嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法?！?課程團(tuán)隊(duì)

2.課程概述

嵌入式系統(tǒng)是電子信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，是智能系統(tǒng)的核心，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、汽車(chē)電子、智能家居、醫(yī)療器械和智能穿戴設(shè)備等眾多領(lǐng)域。伴隨物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)在智能系統(tǒng)中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。

《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》是電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課程。本課程選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F4微控制器為載體，以嵌入式硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)為主線，結(jié)合工程實(shí)踐，按照“最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) → 開(kāi)發(fā)工具使用 → 片內(nèi)外設(shè)應(yīng)用 ”的路徑，分層次、遞進(jìn)式的講授嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

本課程使用了意法半導(dǎo)體公司STM32CubeMX開(kāi)發(fā)工具以及HAL驅(qū)動(dòng)庫(kù)完成微控制器的設(shè)計(jì)。STM32CubeMX軟件提供簡(jiǎn)潔的圖形化界面，設(shè)計(jì)者無(wú)需編寫(xiě)任何代碼，就可以完成引腳分配、時(shí)鐘設(shè)置和外設(shè)設(shè)置等初始化工作，并生成基于MDK-ARM等集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的工程框架，使設(shè)計(jì)者可以更專(zhuān)注于應(yīng)用層代碼的編寫(xiě)。采用庫(kù)函數(shù)的編程方式可以不必了解硬件寄存器的含義，利用庫(kù)函數(shù)提供的接口函數(shù)快速實(shí)現(xiàn)功能?；趫D形化的配置方式和庫(kù)函數(shù)的編程方式使得初學(xué)者可以快速入門(mén)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，降低了學(xué)習(xí)的門(mén)檻。

本課程與工程實(shí)踐緊密結(jié)合，課程中融入了電路設(shè)計(jì)軟件的使用、硬件抽象層設(shè)計(jì)、狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)和通信協(xié)議設(shè)計(jì)等實(shí)用的工程技能，注重培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

本課程的硬件平臺(tái)選用意法半導(dǎo)體公司的官方開(kāi)發(fā)板Nucleo-F411RE。該開(kāi)發(fā)板采用USB接口供電，集成ST-Link仿真器，板載基本的指示燈和按鍵，并設(shè)計(jì)了Arduino UNO的接口，方便用戶接入Arduino生態(tài)圈的擴(kuò)展板。NucleoF411RE開(kāi)發(fā)板價(jià)格便宜，不足百元，可以很方便地在淘寶等購(gòu)物平臺(tái)購(gòu)買(mǎi)。

各教學(xué)單元的內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配如下：

1、嵌入式系統(tǒng)概要：4學(xué)時(shí)

2、STM32F4微控制器電路設(shè)計(jì)：4學(xué)時(shí)

3、STM32微控制器開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建：2學(xué)時(shí)

4、STM32CubeMX軟件的使用：2學(xué)時(shí)

5、MDK-ARM開(kāi)發(fā)軟件的使用：4學(xué)時(shí)

6、通用輸入/輸出接口：8學(xué)時(shí)

7、外部中斷：4學(xué)時(shí)

8、定時(shí)器：8學(xué)時(shí)

9、串口通信：8學(xué)時(shí)

3.授課目標(biāo)

通過(guò)課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)；熟練掌握Cortex-M4內(nèi)核微控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及片內(nèi)外設(shè)的應(yīng)用。掌握嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及軟硬件調(diào)試方法。能夠設(shè)計(jì)、調(diào)試簡(jiǎn)單的嵌入式系統(tǒng)，使學(xué)生初步具備實(shí)際工作的能力。

4.課程大綱

01.嵌入式系統(tǒng)概要

掌握嵌入式系統(tǒng)的概念和組成；了解嵌入式系統(tǒng)的編程模式及程序開(kāi)發(fā)方式；了解硬件抽象層設(shè)計(jì)思想。

02.STM32微控制器硬件電路設(shè)計(jì)

了解STM32微控制器的特點(diǎn)；掌握Nucleo開(kāi)發(fā)板的設(shè)計(jì)原理；熟練應(yīng)用電路設(shè)計(jì)軟件完成微控制器最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

03.STM32微控制器開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建

了解STM32Cube生態(tài)系統(tǒng)的組成；了解STM32CubeMX軟件的開(kāi)發(fā)特點(diǎn)及開(kāi)發(fā)流程；完成STM32開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建。

04.STM32CubeMX軟件的使用

了解HAL庫(kù)的基本特點(diǎn)；熟練掌握STM32CubeMX的使用流程；熟練掌握MDK軟件的程序編寫(xiě)和程序下載方法。

05.MDK-ARM開(kāi)發(fā)軟件的使用

熟練掌握MDK-ARM的使用流程；熟練掌握軟件的調(diào)試方式；了解MDK-ARM軟件的RTE工具。

06.通用輸入輸出接口

了解GPIO的功能和特點(diǎn)；掌握基于寄存器和基于庫(kù)函數(shù)的程序開(kāi)發(fā)方式；了解庫(kù)函數(shù)的設(shè)計(jì)思想；掌握硬件抽象層的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方法。

07.外部中斷

掌握中斷的基本概念和作用；了解HAL庫(kù)的中斷處理流程；熟練運(yùn)用外部中斷進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。

08.定時(shí)器

了解定時(shí)器的功能和特點(diǎn)；了解HAL庫(kù)的外設(shè)模塊設(shè)計(jì)方法；熟練掌握定時(shí)器的定時(shí)功能使用方法；熟練掌握定時(shí)器的PWM功能使用方法。

09.串口通信

了解通信的基本概念；了解HAL庫(kù)的外設(shè)初始化設(shè)計(jì)思想；熟練掌握輪詢方式下的串口通信編程方法；熟練掌握中斷方式下的串口通信編程方法。

5.預(yù)備知識(shí)

本課程的學(xué)習(xí)需要C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)和電子線路設(shè)計(jì)等預(yù)備課程的知識(shí)。

6.參考資料

［1］ （英）Joseph Yiu著。宋巖譯。 ARM Cortex-M3權(quán)威指南。 北京： 北京航空航天大學(xué)出版社，2009.［2］ 劉火良。 STM32庫(kù)開(kāi)發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南（第二版）［M］。 北京： 電子工業(yè)出版社， 2018.［3］ 高顯生。 STM32F0實(shí)戰(zhàn)—基于HAL庫(kù)開(kāi)發(fā)［M］。 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2019.

7.常見(jiàn)問(wèn)題

［1］硬件平臺(tái)：Nucleo-F411RE開(kāi)發(fā)板，可在意法半導(dǎo)體的官方淘寶店購(gòu)買(mǎi)［2］STM32CubeMX軟件下載地址：http://www.st.com/stm32cubemx［3］MDK-ARM軟件下載地址：http://www.keil.com/download/product/