嵌入式：正确认识MCU和STM32生态

一、意法半导体ST下面视角不再聚焦手机领域。任何对功耗、体积、成本、可靠性有严苛要求的领域汽车电子、工业控制、物联网、智能穿戴都广泛使用集成化 SoC 芯片方案这类 SoC 大多基于 ARM 授权 CPU 内核开发。但并非所有终端公司都有资金、技术、人力直接和 ARM 合作自研芯片自研流片成本、风险极高。厂商更需要成品芯片已经集成 CPU 内核、存储器、输入输出外设的完整单片机买回来直接焊在电路板上就能开发使用。市场催生了中间厂商意法半导体STMicroelectronics简称 ST运作模式从 ARM 购买 Cortex-M 系列 CPU 内核 IP 授权结合自身模拟电路、存储、外设设计技术把内核、闪存、RAM、GPIO、串口、ADC 等全部集成单颗芯片内做成标准化 MCU 单片机代表作STM32 全系列特斯拉、比亚迪、大疆、各类家电 / 工业企业直接采购成品 STM32 芯片做产品这套完整链路ARM 输出内核 IP → 意法半导体做成标准化 MCU 芯片 → 各行各业终端厂商直接选用同类厂商恩智浦 (NXP)、德州仪器 (TI)、英飞凌、国内兆易创新 (GD32)、乐鑫 (ESP32) 等众多 MCU 厂商。为什么嵌入式入门首选意法半导体 STM32入行最早、市场占有率最高是全球 MCU 行业事实标准生态极度完善官方手册、教程、开源代码、工具、第三方模块资源海量绝大多数硬件工程师入门学习路线都是从 STM32 起步企业岗位招聘需求量最大国内国产 GD32 等兼容芯片均以 STM32 为参照设计学会 STM32 可无缝迁移国产单片机核心结论意法半导体向 ARM 采购 CPU 内核封装成成品 MCU 单片机卖给各行各业终端企业ST 起步早、软硬件生态最完善是嵌入式 MCU 入门主流首选补充意法是法国、意大利合资半导体巨头总部位于瑞士官网www.st.com 中文官网www.st.com.cn二、MCU我们认识了意法半导体 —— 这家把 Arm 核心做成标准化芯片、卖给终端公司的行业基准。 现在我们把目光从 “谁在做”转向 “做的是什么”。1.是什么MCU 是 Microcontroller Unit微控制单元的缩写中文常称为单片机Single Chip Microcomputer。2.怎么做的从功能上看MCU 是把处理器CPU 核心、存储器Flash、RAM、以及各种输入输出接口定时器、ADC、串口等集成在一起形成一个芯片。从制造上看在极纯的硅片上经过光刻、刻蚀、沉积、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起来再把它们内部连通最终形成一个完整的芯片。核心结论MCU 内部除了 CPU还有各类存储、外设模块。更朴素地说MCU 就已经是一台被集成在同一芯片上的微型计算机了。对应的示意图MCU内部示意图3.MCU 和 SoC 是什么关系简单来说MCU微控制器可以看作是一种功能特定、高度集成的 “SoC”。SoC 是一个更宽泛的概念MCU 是这个概念下非常经典的一个分支。简单进一步确认一下链接https://github.com/zephyrproject-rtos/zephyr/tree/main/soc/st/stm32Zephyr RTOS 是由 Linux 基金会牵头全球各大半导体厂商ST、NXP、Nordic、Renesas 等共同维护的开源可扩展实时操作系统专为资源受限的物联网、嵌入式设备打造主打安全性、多硬件架构适配。从源码目录结构能看到STM32具体 MCU 型号都被放置在soc目录下印证 MCU 隶属于 SoC 大类。4.MCU 为什么会存在市面上两类典型 SoC 应用场景手机应用处理器类 SoC核心负责算力运算MCU 类轻量化 SoC核心负责实时控制类比人体大脑负责复杂计算小脑负责肢体精细动作实时协调控制。MCU 属于专用计算机目标是以低成本完成各类实时控制任务。它设计初衷不追求通用超强算力而是在成本、功耗、实时性、可靠性上极致优化。现实世界里控制需求海量且多样通用处理器没办法兼顾低成本、低功耗、硬实时响应因此市场分化出 MCU 这条专用分支这是芯片行业 “专用替代通用” 的必然结果也是 MCU 长久存续、迭代的根本原因。举例家电空调控制场景空调核心需求温度达标停机、遥控器按键即时响应、常年稳定运行不死机不需要运行安卓系统、渲染 3D 画面、处理视频流媒体。 如果强行搭载手机级应用处理器 SoC弊端十分明显太贵手机主处理器动辄数十美元MCU 仅几美分几美元功耗过高应用处理器功耗瓦级MCU 是毫瓦 / 微瓦级电池供电设备续航会大幅缩水开发繁琐需要适配操作系统、内存管理、各类驱动开发难度极高MCU 裸机几十行代码即可运行算力冗余浪费空调无需图像处理、5G 基带等高性能模块多余算力完全无用实时性无法保障MCU 最大优势 —— 处理耗时可预知、响应速度稳定可控这是手机应用处理器做不到的实时性两层含义 ① 事件处理速度快 ② 每一次处理消耗的时间固定、可预判结论MCU 是产业细分后专为低成本实时控制诞生的专用计算机。嵌入式领域绝大多数工作都属于控制类场景因此 MCU 随处可见高端应用级 SoC 仅用于手机、车载座舱、平板等高算力需求设备。这就是嵌入式行业里 MCU 远比应用处理器普遍的原因。核心总结MCU 诞生根源物理世界海量控制任务家电、电机、传感器设备需要极低的成本、超低功耗、硬实时响应通用处理器无法兼顾全部需求唯有专为控制设计的 MCU 是商业与技术层面的最优解。三、STM32各大半导体厂商均量产 MCU 恩智浦 (NXP) LPC 系列、德州仪器 (TI) MSP430 系列、国产兆易创新 GD32 系列、乐鑫 ESP32 系列 意法半导体ST旗下 MCU 产品线统一命名为STM32后续内容学习 STM32 系列。ST 公司主要产品线包括STM32 MCU、STM32 Wireless、STM32 MPU、STM8 MCU 我们只需要学习STM32 MCU即可。1.STM32 命名含义STM32 ST M 32ST意法半导体STMicroelectronicsMMicrocontroller Unit微控制器MCU3232 位处理器单次可处理 32 位二进制数据整体含义意法半导体出品的 32 位单片机全系列统称。补充意法半导体由两家公司合并组建S意大利半导体通用公司SGST法国汤姆逊半导体公司Thomson通俗类比MCU 等同于 “手机”STM32 就等同于 “华为手机”。STM32 并非单一型号芯片是庞大芯片家族意法半导体按照不同功耗、算力、场景需求划分了多个子系列适配各行各业。官网产品链接https://www.stmcu.com.cn/Product/pro_detail/PRODUCTSTM32/product2.STM32 主流子系列字母含义型号后缀字母代表系列定位F Foundation基础通用系列STM32 基石产品线应用范围最广入门首选系列。G General-purpose通用性价比系列ST 主推的主流高性价比产品线。L Low-power低功耗系列面向电池供电设备全程优化功耗。U Ultra-low-power超低功耗系列功耗比 L 系列更低极致省电场景专用。H High高性能系列STM32 家族算力最强、外设资源最丰富的高端产品线。下图为 STM32 F 系列和 H 系列 MCU 芯片F 系列STM32 芯片H 系列STM32 芯片查看更多型号图片渠道可前往立创电子元器件商城搜索 stm32F103、stm32F103 采购相关信息总结体积如此微小的芯片本质上是一台完整微型计算机。后续学习的所有内容本质都是掌握 MCU 内部各类片上外设的使用 重要区分MCU ≠ CPU单片机不等同于单纯处理器内核3.STM32 各子系列参数 应用场景对照表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、人机界面 (HMI)空调控制面板、洗衣机面板、电子烟、数字电源、电动工具、触控屏高性能系列Cortex-M7/M4/M33STM32F2/F4/F7/H5/H7主频最高 600MHz搭载 DSP/FPU 浮点运算单元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 射频通信智能门锁、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支持神经网络本地推理智能摄像头人员检测、语音唤醒家电、产品瑕疵检测设备MPU 混合系列Cortex-A7/A35 M4/M33STM32MP1/MP2大小核异构架构可运行 Linux/RTOS 双系统工业边缘网关、车联网 T-Box、自助售货机、工业 HMI 一体机、边缘计算终端细节说明STM32 旗下型号繁多只需大致了解分类即可所有 STM32 单片机开发逻辑大体一致吃透任意一款就能上手其余所有型号开发。核心结论STM32 是意法半导体推出的32 位 MCU 总称F/G/L/U/H 等不同子系列分别适配通用性价比、低功耗、超低功耗、高性能等场景本质是集成了硬件外设的微型计算机。四、MCU 选型1.STM32F1 系列2007 年意法半导体发布 STM32F1 系列单片机这款芯片具备里程碑意义彻底取代了传统 8 位、16 位单片机的主流地位。 STM32F1 内部还细分多款子型号STM32F100、F101、F102、F103、F105、F107类比如同手机 nova 系列分标准版、Pro、Ultra硬件资源、主频、外设配置逐级提升。官网链接STM32F1 | 产品 | STM32 | MCU单片机 | 意法半导体STM | STMCU中文官网2.3.8.2 STM32F103后续内容最终选用STM32F103增强型选择理由市面上学习资料最丰富、受众最广单片机入门首选型号。官方详情页链接https://www.stmcu.com.cn/Product/pro_detail/STM32F103/product3. STM32F103ZET6STM32F103 下依旧划分大量细分型号STM32F103ZET6型号就是其中之一。