作者：Kenton Williston

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-05-15

隨著人工智能 (AI) 和具有豐富圖形的復(fù)雜人機(jī)界面 (HMI) 等先進(jìn)功能在應(yīng)用中變得越來(lái)越普遍，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員開(kāi)始尋找功能更強(qiáng)大的微控制器單元 (MCU)。但與此同時(shí)，設(shè)計(jì)人員也被要求開(kāi)發(fā)成本最優(yōu)的產(chǎn)品，而放棄這些華而不實(shí)的功能。在這些相互矛盾的壓力下，選擇一款能夠輕松擴(kuò)展以滿(mǎn)足不同市場(chǎng)需求的 MCU 就勢(shì)在必行。

不斷加快的創(chuàng)新速度也加劇了這種壓力。應(yīng)用要求可能會(huì)發(fā)生意想不到的變化，因此輕松獲取替代 MCU 就顯得至關(guān)重要。此外，還必須考慮未來(lái)適用性和重復(fù)使用問(wèn)題。如果設(shè)計(jì)元素可以在其他項(xiàng)目中重復(fù)使用，就可以大幅節(jié)省時(shí)間和成本。

應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的方法之一就是選擇具備豐富選項(xiàng)的 MCU 系列。[STMicroelectronics]的 [STM32H7]就是一個(gè)很好的例子。該系列既有高性?xún)r(jià)比的入門(mén)級(jí) 32 位 MCU，也有功能豐富的雙核 MCU。

本文以 STM32H7 系列的功能為例，重點(diǎn)介紹了選擇 MCU 系列時(shí)應(yīng)考慮的標(biāo)準(zhǔn)。此外，還介紹了適用于 STM32H7 MCU 的開(kāi)發(fā)板和工具，并說(shuō)明了如何使用這些基礎(chǔ)設(shè)施啟動(dòng)項(xiàng)目。

實(shí)現(xiàn) MCU 系列靈活性和可擴(kuò)展性的因素

在尋找具有靈活性的 MCU 系列時(shí)，必須考慮眾多因素。提供廣泛的性能和功率水平選項(xiàng)尤為重要。首選的 MCU 系列應(yīng)包括針對(duì)不同目標(biāo)優(yōu)化的各種時(shí)鐘速度和內(nèi)核選項(xiàng)。例如，低功耗的 [Arm?] Cortex?-M4 和高性能的 Arm Cortex-M7。

該系列應(yīng)包含具有基本處理能力的 MCU 和具有擴(kuò)展能力的選件。許多應(yīng)用需要數(shù)據(jù)保護(hù)和安全通信。硬件型加密、安全啟動(dòng)和加密加速器等功能對(duì)于這些用例至關(guān)重要。同樣，數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 和浮點(diǎn)指令對(duì)于數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用也至關(guān)重要。

MCU 系列還應(yīng)提供各種大小的 RAM 和閃存，以適應(yīng)從簡(jiǎn)單應(yīng)用到需要大量軟件框架或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的各種應(yīng)用。這些 MCU 應(yīng)為超出內(nèi)部存儲(chǔ)器能力的應(yīng)用提供外部存儲(chǔ)器接口，以提供必要的可擴(kuò)展性。

最后，擁有更多外設(shè)選項(xiàng)的 MCU 系列也能夠應(yīng)對(duì)更廣泛的應(yīng)用。確保 MCU 系列包括具有 USB、以太網(wǎng)、藍(lán)牙和 Wi-Fi 等先進(jìn) I/O 的選件至關(guān)重要，因?yàn)榭赡茈y以在后續(xù)設(shè)計(jì)中作為升級(jí)增加這些接口。理想情況下，選擇的 MCU 系列應(yīng)在其產(chǎn)品范圍內(nèi)提供引腳兼容性，以便在不對(duì)印刷電路板（PC 板）做出重大設(shè)計(jì)變更的情況下，就能實(shí)現(xiàn)硬件升級(jí)或降級(jí)。

開(kāi)發(fā)工具應(yīng)從軟件角度支持整個(gè) MCU 系列。為了加快開(kāi)發(fā)速度，還應(yīng)該有一個(gè)統(tǒng)一的軟件應(yīng)用程序編程接口 (API) 和一套強(qiáng)大的庫(kù)、中間件和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS)。

STM32H7：多功能性案例研究

STMicroelectronics 的 STM32H7 系列是符合這些標(biāo)準(zhǔn)的 MCU 系列典范。如表 1 所示，該系列具有高度可擴(kuò)展性，圍繞 Arm Cortex-M7 構(gòu)建，涵蓋基礎(chǔ)和高級(jí) MCU。該系列分為四個(gè)子系列，分別針對(duì)不同應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。

| | | MCU 內(nèi)核和時(shí)鐘 | 最大閃存/RAM | 主要特性 |
| ---------------- | ----------------------------------------------- | ------------------------ | ---------------------------------------------- |
| 超值系列 | 280 MHz 至 550 MHz
Arm Cortex-M7 | 128 KB 閃存
1 MB RAM | 低成本、以太網(wǎng)、QSPI、TFT |
| 單核系列 | 280 MHz 至 550 MHz
Arm Cortex-M7 | 2 MB 閃存
1.4 MB RAM | TFT、以太網(wǎng)、Q-SPI、低功耗 |
| 雙核系列 | 480 MHz
Arm Cortex-M7 +
240 MHz
Arm Cortex-M4 | 2 MB 閃存
1 MB RAM | 開(kāi)關(guān)模式電源 (SMPS)、TFT-LCD、MIPI-DSI、JPEG |
| BootFlash 系列 | 600 MHz
Arm Cortex-M7 | 外部閃存、620 KB RAM | NeoChrom GPU、I3C、XiP、USB PHY |

表 1：STM32H7 系列四個(gè)子系列的主要亮點(diǎn)。（表格來(lái)源：作者，使用 STMicroelectronics 提供的原始資料）

超值系列的速度范圍為 280 MHz 至 550 MHz，采用 128 KB 嵌入式閃存和 1 MB RAM。該系列支持各種通信接口和外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展，為以性能為導(dǎo)向的系統(tǒng)提供經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。[STM32H750VBT6]就是這樣一款 MCU，其采用 14 x 14 mm 100-LQFP 封裝。

單核系列的運(yùn)行速度范圍也是 280 MHz 至 550 MHz。該系列提供高達(dá) 2 MB 的閃存和 1.4 MB 的 RAM，與需要豐富用戶(hù)界面和實(shí)時(shí)控制的應(yīng)用非常契合。其中一個(gè)例子是 [STM32H743IIK6]，其采用 10 x 10 mm 201-UFBGA 封裝。

雙核系列采用了針對(duì)效率進(jìn)行優(yōu)化的輔助 Arm Cortex-M4 內(nèi)核。嵌入式開(kāi)關(guān)模式電源 (SMPS) 可提高電源效率。其他先進(jìn)外設(shè)包括 TFT-LCD、MIPI-DSI 和硬件 JPEG 編解碼器。一個(gè)典型例子是 [STM32H747AII6]，其采用 7 x 7 mm 169-UFBGA 封裝。

BootFlash 系列以其高性能而著稱(chēng)，其速度高達(dá) 600 MHz。該系列旨在支持實(shí)時(shí)就地執(zhí)行 (XiP) 應(yīng)用，并配備 64 KB 引導(dǎo)閃存和 620 KB RAM。此外，系列中的某些型號(hào)還可選配 NeoChrom GPU 以增強(qiáng)圖形加速功能。此系列的一個(gè)典型代表是 [STM32H7R3Z8J6]，其采用 10 x 10 mm 144-UFBGA 封裝。

與 STM32F4 和 STM32F7 系列兼容的好處

STM32H7 是 STMicroelectronics MCU 眾多產(chǎn)品系列的一員，其引腳布局與同類(lèi) [STM32F4] 和 [STM32F7]系列兼容，能夠適配最常見(jiàn)的封裝形式。這些 MCU 均基于 Arm Cortex-M 內(nèi)核，并且有著類(lèi)似的外設(shè)和 GPIO 引腳布局。這些共性使得設(shè)計(jì)人員無(wú)需對(duì)硬件做出重大改動(dòng)，便可輕松在 MCU 之間遷移。升級(jí)產(chǎn)品或基于每個(gè)系列的不同功能設(shè)計(jì)新產(chǎn)品時(shí)，這種兼容性可縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間并降低成本。

此外，所有 MCU 均由同一軟件開(kāi)發(fā)生態(tài)系統(tǒng)提供支持，包括用于配置和初始化代碼生成的 [STM32CubeMX]，以及用于開(kāi)發(fā)和調(diào)試的 [STM32CubeIDE]。這種兼容性可確保軟件組件、中間件和應(yīng)用程序代碼能夠在針對(duì)任一系列的項(xiàng)目中重復(fù)使用，從而進(jìn)一步加快開(kāi)發(fā)周期。

開(kāi)始使用 STM32H7 系列 MCU

開(kāi)始使用 STM32H7 MCU 涉及幾個(gè)關(guān)鍵步驟以及開(kāi)發(fā)板和工具的高效使用。下面的分步指南將介紹如何開(kāi)始使用這些功能強(qiáng)大的微控制器進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

1.選擇開(kāi)發(fā)板

Discovery 套件是初學(xué)者入門(mén)探索的理想選擇，該套件配有集成式調(diào)試器/編程器，通常還具有各種板載用戶(hù) LED、按鍵、傳感器和連接選項(xiàng)。[NUCLEO-F767ZI]（圖 1）等 Nucleo 開(kāi)發(fā)板在靈活性與經(jīng)濟(jì)性之間實(shí)現(xiàn)了良好平衡。這些開(kāi)發(fā)板兼容 [Arduino]Uno，易于擴(kuò)展，并且具有 [STLINK] 接口，可與調(diào)試器/編程器配合使用。

圖 1：NUCLEO-F767ZI 開(kāi)發(fā)板提供了一個(gè)簡(jiǎn)單而靈活的試驗(yàn)起點(diǎn)。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）

評(píng)估板提供最全面的外設(shè)和連接選項(xiàng)，有助于全面探索各種功能。例如，[STM32H745I-DISCO]（圖 2）和 [STM32H750B-DK]等 Discovery 套件可以快速評(píng)估各種接口，并且具有如下特性：

• 4.3 英寸RGB 界面 LCD，帶觸摸屏
• 符合 IEEE-802.3-2002 標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)
• 以太網(wǎng)供電 (PoE)
• USB OTG FS
• SAI 音頻編解碼器
• 一個(gè) ST-MEMS 數(shù)字麥克風(fēng)
• 2 個(gè) 512 Mbit Quad-SPI NOR 閃存
• 128 MB SDRAM
• 4 GB 板載 eMMC
• 2 個(gè) CAN FD
• 兼容 Arduino 擴(kuò)展板
• 具有 USB 重新枚舉功能的板載 STLINK-V3E 調(diào)試器/編程器：大容量存儲(chǔ)、虛擬 COM 端口和調(diào)試端口

圖 2：STM32H745I-DISCO 評(píng)估板提供豐富的硬件資源。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）

2.軟件工具設(shè)置

STMicroelectronics 為其 MCU 提供了集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 (IDE)（圖 3）。包括用于初始化代碼生成和外設(shè)設(shè)置的編譯器、調(diào)試器以及配置器。

圖 3：STM32H7 IDE 的屏幕截圖。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）

3.學(xué)習(xí)和試驗(yàn)

接下來(lái)，建議閱讀相關(guān)文檔。最好從開(kāi)發(fā)板的用戶(hù)手冊(cè)和相關(guān)的 STM32H7 參考手冊(cè)入手。這些文檔提供了有關(guān) MCU 架構(gòu)、外設(shè)配置、Pin-Mux 以及硬件特性的重要信息。

使用示例項(xiàng)目進(jìn)行試驗(yàn)是學(xué)習(xí)這些工具的有效方法。STMicroelectronics 為各種 STM32 MCU 提供了一系列示例項(xiàng)目。這些示例可讓您初步了解如何使用 MCU 的不同功能。

最后，開(kāi)發(fā)人員社區(qū)還可提供更多支持。利用 [ST 社區(qū)]、教程和視頻等資源可以找到常見(jiàn)問(wèn)題的解決方案，并為可能的項(xiàng)目提供靈感。

4.開(kāi)發(fā)和調(diào)試

集成開(kāi)發(fā)環(huán)境提供了開(kāi)始編寫(xiě)、編譯和調(diào)試代碼所需的一切。集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中的配置器可用于外設(shè)初始化和中間件設(shè)置。開(kāi)發(fā)板的集成式 STLINK 調(diào)試器/編程器接口可進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)試。可使用斷點(diǎn)、觀(guān)察變量和單步執(zhí)行代碼來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

5.擴(kuò)展項(xiàng)目

擴(kuò)展板可以為 Discovery 和 Nucleo 開(kāi)發(fā)板增加連接或傳感器等功能。一旦通過(guò)開(kāi)發(fā)板確定了所需功能，就可以使用開(kāi)發(fā)板的原理圖作為參考來(lái)設(shè)計(jì)定制 PC 板。[Seeed Technology Co., Ltd]的 [OpenMV4 CAM H7]攝像頭平臺(tái)（圖 4）就是一個(gè)例子，其采用單核 STM32H743。

圖 4：Seeed Technology OpenMV4 CAM H7 專(zhuān)用于視覺(jué)系統(tǒng)。（圖片來(lái)源：Seeed Technology Co. Ltd.）

另一個(gè)例子是 Arduino 的 [ABX00051] Nicla Vision（圖 5），其采用雙核 STM32H747。

圖 5：ABX00051 Nicla Vision 可幫助開(kāi)發(fā)人員評(píng)估不同的圖像傳感器。（圖片來(lái)源：Arduino）

結(jié)語(yǔ)

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，要兼顧先進(jìn)功能與成本優(yōu)化這一對(duì)相互矛盾的需求，選擇 MCU 就至關(guān)重要。選擇正確的 MCU 系列能夠提供可擴(kuò)展的靈活解決方案，滿(mǎn)足當(dāng)前和未來(lái)的需求，STMicroelectronics 的 STM32H7 系列就是一個(gè)很好的例子。

審核編輯 黃宇