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)雜人機界面 (HMI) 等先進功能在應(yīng)用中變得越來越普遍，產(chǎn)品設(shè)計人員開始尋找功能更強大的微控制器單元 (MCU)。但與此同時，設(shè)計人員也被要求開發(fā)成本最優(yōu)的產(chǎn)品，而放棄這些華而不實的功能。在這些相互矛盾的壓力下，選擇一款能夠輕松擴展以滿足不同市場需求的 MCU 就勢在必行。

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，還必須考慮未來適用性和重復(fù)使用問題。如果設(shè)計元素可以在其他項目中重復(fù)使用，就可以大幅節(jié)省時間和成本。

應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的方法之一就是選擇具備豐富選項的 MCU 系列。[STMicroelectronics]的 [STM32H7]就是一個很好的例子。該系列既有高性價比的入門級 32 位 MCU，也有功能豐富的雙核 MCU。

本文以 STM32H7 系列的功能為例，重點介紹了選擇 MCU 系列時應(yīng)考慮的標(biāo)準(zhǔn)。此外，還介紹了適用于 STM32H7 MCU 的開發(fā)板和工具，并說明了如何使用這些基礎(chǔ)設(shè)施啟動項目。

實現(xiàn) MCU 系列靈活性和可擴展性的因素

在尋找具有靈活性的 MCU 系列時，必須考慮眾多因素。提供廣泛的性能和功率水平選項尤為重要。首選的 MCU 系列應(yīng)包括針對不同目標(biāo)優(yōu)化的各種時鐘速度和內(nèi)核選項。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 和具有擴展能力的選件。許多應(yīng)用需要數(shù)據(jù)保護和安全通信。硬件型加密、安全啟動和加密加速器等功能對于這些用例至關(guān)重要。同樣，數(shù)字信號處理器 (DSP) 和浮點指令對于數(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)從簡單應(yīng)用到需要大量軟件框架或數(shù)據(jù)存儲空間的各種應(yīng)用。這些 MCU 應(yīng)為超出內(nèi)部存儲器能力的應(yīng)用提供外部存儲器接口，以提供必要的可擴展性。

最后，擁有更多外設(shè)選項的 MCU 系列也能夠應(yīng)對更廣泛的應(yīng)用。確保 MCU 系列包括具有 USB、以太網(wǎng)、藍牙和 Wi-Fi 等先進 I/O 的選件至關(guān)重要，因為可能難以在后續(xù)設(shè)計中作為升級增加這些接口。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，以便在不對印刷電路板（PC 板）做出重大設(shè)計變更的情況下，就能實現(xiàn)硬件升級或降級。

開發(fā)工具應(yīng)從軟件角度支持整個 MCU 系列。為了加快開發(fā)速度，還應(yīng)該有一個統(tǒng)一的軟件應(yīng)用程序編程接口 (API) 和一套強大的庫、中間件和實時操作系統(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展性，圍繞 Arm Cortex-M7 構(gòu)建，涵蓋基礎(chǔ)和高級 MCU。該系列分為四個子系列，分別針對不同應(yīng)用進行了優(yōu)化。

| | | MCU 內(nèi)核和時鐘 | 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 系列四個子系列的主要亮點。（表格來源：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器擴展，為以性能為導(dǎo)向的系統(tǒng)提供經(jīng)濟高效的解決方案。[STM32H750VBT6]就是這樣一款 MCU，其采用 14 x 14 mm 100-LQFP 封裝。

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

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

BootFlash 系列以其高性能而著稱，其速度高達 600 MHz。該系列旨在支持實時就地執(zhí)行 (XiP) 應(yīng)用，并配備 64 KB 引導(dǎo)閃存和 620 KB RAM。此外，系列中的某些型號還可選配 NeoChrom GPU 以增強圖形加速功能。此系列的一個典型代表是 [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 [STM32F4] 和 [STM32F7]系列兼容，能夠適配最常見的封裝形式。這些 MCU 均基于 Arm Cortex-M 內(nèi)核，并且有著類似的外設(shè)和 GPIO 引腳布局。這些共性使得設(shè)計人員無需對硬件做出重大改動，便可輕松在 MCU 之間遷移。升級產(chǎn)品或基于每個系列的不同功能設(shè)計新產(chǎn)品時，這種兼容性可縮短開發(fā)時間并降低成本。

此外，所有 MCU 均由同一軟件開發(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任一系列的項目中重復(fù)使用，從而進一步加快開發(fā)周期。

開始使用 STM32H7 系列 MCU

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

1.選擇開發(fā)板

Discovery 套件是初學(xué)者入門探索的理想選擇，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 LED、按鍵、傳感器和連接選項。[NUCLEO-F767ZI]（圖 1）等 Nucleo 開發(fā)板在靈活性與經(jīng)濟性之間實現(xiàn)了良好平衡。這些開發(fā)板兼容 [Arduino]Uno，易于擴展，并且具有 [STLINK] 接口，可與調(diào)試器/編程器配合使用。

圖 1：NUCLEO-F767ZI 開發(fā)板提供了一個簡單而靈活的試驗起點。（圖片來源：STMicroelectronics）

評估板提供最全面的外設(shè)和連接選項，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 ST-MEMS 數(shù)字麥克風(fēng)
• 2 個 512 Mbit Quad-SPI NOR 閃存
• 128 MB SDRAM
• 4 GB 板載 eMMC
• 2 個 CAN FD
• 兼容 Arduino 擴展板
• 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、虛擬 COM 端口和調(diào)試端口

圖 2：STM32H745I-DISCO 評估板提供豐富的硬件資源。（圖片來源：STMicroelectronics）

2.軟件工具設(shè)置

STMicroelectronics 為其 MCU 提供了集成開發(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。（圖片來源：STMicroelectronics）

3.學(xué)習(xí)和試驗

接下來，建議閱讀相關(guān)文檔。最好從開發(fā)板的用戶手冊和相關(guān)的 STM32H7 參考手冊入手。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。

使用示例項目進行試驗是學(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問題的解決方案，并為可能的項目提供靈感。

4.開發(fā)和調(diào)試

集成開發(fā)環(huán)境提供了開始編寫、編譯和調(diào)試代碼所需的一切。集成開發(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。開發(fā)板的集成式 STLINK 調(diào)試器/編程器接口可進行實時調(diào)試?？墒褂脭帱c、觀察變量和單步執(zhí)行代碼來發(fā)現(xiàn)問題。

5.擴展項目

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

圖 4：Seeed Technology OpenMV4 CAM H7 專用于視覺系統(tǒng)。（圖片來源：Seeed Technology Co. Ltd.）

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

圖 5：ABX00051 Nicla Vision 可幫助開發(fā)人員評估不同的圖像傳感器。（圖片來源：Arduino）

結(jié)語

在產(chǎn)品設(shè)計中，要兼顧先進功能與成本優(yōu)化這一對相互矛盾的需求，選擇 MCU 就至關(guān)重要。選擇正確的 MCU 系列能夠提供可擴展的靈活解決方案，滿足當(dāng)前和未來的需求，STMicroelectronics 的 STM32H7 系列就是一個很好的例子。

審核編輯 黃宇