Chương 1 Giới thiệu dòng vi điều khiển STM32 1. Khái niệm về Vi xử lý và Vi điều khiển 1. Vi xử lý Bộ vi xử lý (microprocessor) là một máy tính nhỏ hoặc CPU (đơn vị xử lý trung tâm) được sử dụng để tính toán, thực hiện phép toán logic, kiểm soát hệ thống và lưu trữ dữ liệu vv. Vi xử lý sẽ xử lý các dữ liệu đầu vào / đầu ra (input/output) thiết bị ngoại vi và đưa ra kết quả trở lại để chúng hoạt động.
Dòng vi xử lý 4 bit đầu tiên được Intel sản xuất vào tháng 11/1971 với tên gọi là 4004. Sơ đồ khối hệ thống Vi xử lý Các loại cấu trúc: Hình 1. Kiến trúc phần cứng của STM32 2 Luan van + Các vi xử lý đầu tiên sử dụng cấu trúc Von-Neumann. Trong cấu trúc Von Neumann bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình được đặt trong một bộ nhớ.
Để xử lý một lệnh từ bộ nhớ hoặc yêu cầu từ I / O, nó nhận được lệnh thông qua bus từ bộ nhớ hoặc I / O, và đặt vào thanh ghi, xử lý nó trong các thanh ghi. Bộ xử lý có thể lưu kết quả trong bộ nhớ thông qua các bus. Nhưng kiến trúc này có một số nhược điểm như chậm và quá trình truyền dữ liệu không đồng thời xảy ra cùng một lúc bởi vì chia sẻ cùng một bus chung. + Sau này cấu trúc Harvard (Atmega328, Atmega168,.
Arduino đang dùng) được phát triển. Trong cấu trúc Harvard bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình và các bus được tách biệt với nhau. Ngoài ra còn có hai loại CPU micro programming và hardwired programming. Microprogramming còn chậm khi so sánh với hardwired programming.
+ Kiến trúc tập lệnh Complex Instruction Set Computer: complex instruction set computer (CISC) là tập lệnh phức tạp nên sẽ tốn nhiều thời gian để thực hiện; tập lệnh phức tạp có thể bao gồm quá trình xử lý opcode và các toán hạng …vv tốc độ thực hiện lệnh sẽ chậm. Cấu trúc X86 là một ví dụ. + Reduced Instruction Set Computer: Reduced Instruction Set Computer (RISC) là tập lệnh thu gọn và tốc độ thực hiện nhanh. Việc thực hiện rất đơn giản và không yêu cầu cấu trúc phức tạp.
RISC được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng hệ thống nhúng. SHARC và PowerPC sử dụng RISC. Bộ vi xử lý thường được dùng trong các ứng dụng nhỏ. Tùy theo các ứng dụng và thiết bị ngoại vi bạn đang sử dụng mà có thể chọn bộ vi xử lý cần thiết để thực hiện.
Vi điều khiển(microcontroller) Nó cũng là một máy tính nhỏ, trong đó CPU, bộ nhớ (RAM, ROM), I / O thiết bị ngoại vi, timers, counters, được nhúng vào trong một mạch tích hợp (IC) nơi mà các bộ vi xử lý và tất cả các khối này được kết hợp vào trong một board thông qua hệ thống bus. Vi điều khiển có thể dễ dàng giao tiếp với thiết bị ngoại vi bên ngoài như cổng nối tiếp, ADC, DAC, Bluetooth, Wi-Fi, …vv quá trình giao tiếp nhanh hơn khi so sánh với các bộ vi xử lý. Hầu hết các vi điều khiển sử 3 Luan van dụng cấu trúc RISC. Ngoài ra còn có một số vi điều khiển sử dụng cấu trúc CISC như 8051, motorolla, vv… Hình 1.
Kiến trúc phần cứng Vi điều khiển 1. Đặc điểm nổi bật của STM32 Những đặc điểm nổi trội của dòng ARM Cortex đã thu hút các nhà sản xuất IC, hơn 240 dòng vi điều khiển dựa vào nhân Cortex đã được giới thiệu. Không nằm ngoài xu hướng đó, hãng sản xuất chip ST Microelectronic đã nhanh chóng đưa ra dòng STM32F4. STM32F4 là vi điều khiển dựa trên nền tảng lõi ARM Cortex-M3 thế hệ mới do hãng ARM thiết kế.
Lõi ARM Cortex-M3 là sự cải tiến từ lõi ARM7 truyền thống từng mang lại thành công vang dội cho công ty ARM. STM đã đưa ra thị trường 4 dòng vi điều khiển dựa trên ARM7 và ARM9, nhưng STM32 là một bước tiến quan trọng trên đường cong chi phí và hiệu suất (price/performance), giá chỉ gần 1 Euro với số lượng lớn, STM32 là sự thách thức thật sự với các vi điều khiển 8 và 16-bit truyền thống. STM32 đầu tiên gồm 14 biến thể khác nhau, được phân thành hai dòng: dòng Performance có tần số hoạt động của CPU lên tới 72Mhz và dòng Access có tần số hoạt động lên tới 36Mhz. Các biến thể STM32 trong hai nhóm này tương thích hoàn toàn về cách bố trí chân (pin) và phần mềm, đồng thời kích thước bộ nhớ FLASH ROM có thể lên tới 512K và 64K SRAM.
4 Luan van Hình 1. Kiến trúc của STM32 nhánh Performance và Access Nhánh Performance hoạt động với xung nhịp lên đến 72Mhz và có đầy đủ các ngoại vi, nhánh Access hoạt động với xung nhịp tối đa 36Mhz và có ít ngoại vi hơn so với nhánh Performance. Sự tinh vi Thoạt nhìn thì các ngoại vi của STM32 cũng giống như những vi điều khiển khác, như hai bộ chuyển đổi ADC, timer, I2C, SPI, CAN, USB và RTC. Tuy nhiên mỗi ngoại vi trên đều có rất nhiều đặc điểm thú vị.
Ví dụ như bộ ADC 12-bit có tích hợp một cảm biến nhiệt độ để tự động hiệu chỉnh khi nhiệt độ thay đổi và hỗ trợ nhiều chế độ chuyển đổi. Mỗi bộ định thời có 4 khối capture compare (dùng để bắt sự kiện với tính năng input capture và tạo dạng sóng ở ngõ ra với output compare), mỗi khối định thời có thể liên kết với các khối định thời khác để tạo ra một mảng các định thời tinh vi hơn. Một bộ định thời cao cấp chuyên hỗ trợ điều khiển động cơ, với 6 đầu ra PWM với dead time (khoảng thời gian được chèn vào giữa hai đầu tín hiệu xuất PWM bù nhau trong điều khiển mạch cầu H) lập trình được và một đường break input (khi phát hiện điều kiện dừng khẩn cấp) sẽ buộc tín hiệu PWM sang một trạng thái an toàn đã được cài sẵn. Ngoại vi nối tiếp SPI có một khối kiểm tổng (CRC) bằng phần cứng cho 8 và 16 word hỗ trợ tích cực cho giao tiếp thẻ nhớ SD hoặc MMC.
5 Luan van STM32 có hỗ trợ thêm tối đa 12 kênh DMA (Direct Memory Access). Mỗi kênh có thể được dùng để truyền dữ liệu đến các thanh ghi ngoại vi hoặc từ các thanh ghi ngoại vi đi với kích thước từ (word) dữ liệu truyền đi có thể là 8/16 hoặc 32-bit. Mỗi ngoại vi có thể có một bộ điều khiển DMA (DMA controller) đi kèm dùng để gửi hoặc đòi hỏi dữ liệu như yêu cầu. Một bộ phân xử bus nội (bus arbiter) và ma trận bus (bus matrix) tối thiểu hoá sự tranh chấp bus giữa truy cập dữ liệu thông qua CPU (CPU data access) và các kênh DMA.
Điều đó cho phép các đơn vị DMA hoạt động linh hoạt, dễ dùng và tự động điều khiển các luồng dữ liệu bên trong vi điều khiển. STM32 là một vi điều khiển tiêu thụ năng lượng thấp và đạt hiệu suất cao. Nó có thể hoạt động ở điện áp 2V, chạy ở tần số 72MHz và dòng tiêu thụ chỉ có 36mA với tất cả các khối bên trong vi điều khiển đều được hoạt động. Kết hợp với các chế độ tiết kiệm năng lượng của Cortex, STM32 chỉ tiêu thụ 2μA khi ở chế độ Standby.
Một bộ dao động nội RC 8MHz cho phép chip nhanh chóng thoát khỏi chế độ tiết kiệm năng lượng trong khi bộ dao động ngoài đang khởi động. Khả năng nhanh đi vào và thoát khỏi các chế độ tiết kiệm năng lượng làm giảm nhiều sự tiêu thụ năng lượng tổng thể. Sự an toàn Ngày nay các ứng dụng hiện đại thường phải hoạt động trong môi trường khắc khe, đòi hỏi tính an toàn cao, cũng như đòi hỏi sức mạnh xử lý và càng nhiều thiết bị ngoại vi tinh vi. Để đáp ứng các yêu cầu khắc khe đó, STM32 cung cấp một số tính năng phần cứng hỗ trợ các ứng dụng một cách tốt nhất.
Chúng bao gồm một bộ phát hiện điện áp thấp, một hệ thống bảo vệ xung Clock và hai bộ Watchdogs. Bộ đầu tiên là một Watchdog cửa sổ (windowed watchdog). Watchdog này phải được làm tươi trong một khung thời gian xác định. Nếu nhấn nó quá sớm, hoặc quá muộn, thì Watchdog sẽ kích hoạt.
Bộ thứ hai là một Watchdog độc lập (independent watchdog), có bộ dao động bên ngoài tách biệt với xung nhịp hệ thống chính. Hệ thống bảo vệ xung nhịp có thể phát hiện lỗi của bộ dao động chính bên ngoài (thường là thạch anh) và tự động chuyển sang dùng bộ dao động nội RC 8MHz. Tính bảo mật 6 Luan van Một trong những yêu cầu khắc khe khác của thiết kế hiện đại là nhu cầu bảo mật mã chương trình để ngăn chặn sao chép trái phép phần mềm. Bộ nhớ Flash của STM32 có thể được khóa để chống truy cập đọc Flash thông qua cổng Debug.
Khi tính năng bảo vệ đọc được kích hoạt, bộ nhớ Flash cũng được bảo vệ chống ghi để ngăn chặn mã không tin cậy được chèn vào bảng vector ngắt. Hơn nữa bảo vệ ghi có thể được cho phép trong phần còn lại của bộ nhớ Flash. STM32 cũng có một đồng hồ thời gian thực và một khu vực nhỏ dữ liệu trên SRAM được nuôi nhờ nguồn pin. Khu vực này có một đầu vào chống giả mạo (anti-tamper input), có thể kích hoạt một sự kiện ngắt khi có sự thay đổi trạng thái ở đầu vào này.
Ngoài ra một sự kiện chống giả mạo sẽ tự động xóa dữ liệu được lưu trữ trên SRAM được nuôi bằng nguồn pin. Phát triển phần mềm Nếu bạn đã sử dụng một vi điều khiển dựa trên lõi ARM, thì các công cụ phát triển cho ARM hiện có đã được hỗ trợ tập lệnh Thumb-2 và dòng Cortex. Ngoài ra ST cũng cung cấp một thư viện điều khiển thiết bị ngoại vi, một bộ thư viện phát triển USB như là một thư viện ANSI C và mã nguồn đó là tương thích với các thư viện trước đó được công bố cho vi điều khiển STR7 và STR9. Có rất nhiều RTOS mã nguồn mở và thương mại và middleware (TCP/IP, hệ thống tập tin, v.) hỗ trợ cho họ Cortex.
Dòng Cortex-M3 cũng đi kèm với một hệ thống gỡ lỗi hoàn toàn mới gọi là CoreSight. Truy cập vào hệ thống CoreSight thông qua cổng truy cập Debug (Debug Access Port), cổng này hỗ trợ kết nối chuẩn JTAG hoặc giao diện 2 dây (serial wire-2 Pin), cũng như cung cấp trình điều khiển chạy gỡ lỗi, hệ thống CoreSight trên STM32 cung cấp hệ thống điểm truy cập(data watchpoint) và một công cụ theo dõi (instrumentation trace). Công cụ này có thể gửi thông tin về ứng dụng được lựa chọn đến công cụ gỡ lỗi. Điều này có thể cung cấp thêm các thông tin gỡ lỗi và cũng có thể được sử dụng trong quá trình thử nghiệm phần mềm.