Пожалуй, большинство эмбеддерщиков и просто интересующихся встроенными системами уже слышали про процессоры ARM. Их устанавливают в промышленное оборудование, в смартфоны и аудио-плееры, в видеотехнику, да много ещё куда. Популярность ARM во многом обеспечена их хорошей производительностью при низком энергопотреблении, что делает их идеальными для применения в различных мобильных устройствах.ARM расшифровывается как Advanced RISC Machines. RISC — это архитектура процессоров с “сокращённым” набором команд, ныне одна из наиболее распространённых. Между прочим, микроконтроллеры AVR, используемые в Arduino, имеют архитектуру RISC.

Существует современное семейство ARM под названием Cortex, которое делится на три подсемейства:

• Cortex-A
  Это полноценные процессоры общего назначения для самых различных задач. Самое известное устройство на базе их — это iPhone.
• Cortex-R
  Предназначены для систем реального времени, где существует необходимость в быстрой и точной реакции на внешние события с гарантированным временем отклика — для применений в промышленности, медицине, автомобилестроении и пр.
• Cortex-M
  Микроконтроллеры, уже известная нам по AVR область. Как обычно, это не очень быстрый процессор, но со встроенной памятью для программ (flash), оперативной памятью (SRAM) и различной периферией — такой, как GPIO (порты ввода-вывода), UART, SPI, I2C и т.д.

Эта статья, как и последующие в цикле (да, это будет цикл статей), сконцентрируется на самом популярном виде Cortex-M в наши дни — Cortex-M3. Микроконтроллеры этого семейства выпускают несколько компаний — например, ST Microelectronics, NXP, Atmel, Texas Instruments. Надо сказать, что с ARM вообще и Cortex-M3, в частности, ситуация с производством отличается от привычной: компания ARM Limited занимается только разработкой архитектуры и средств разработки (компиляторов и IDE), но сама процессоры не производит, а продаёт лицензии другим компаниям — вышеперечисленным, например. При этом гарантируется совместимость кода на уровне инструкций процессора — это значит, что можно разрабатывать ПО под процессоры различных производителей, пользуясь одним и тем же компилятором.

Чем же Cortex-M3 круче других микроконтроллеров? Много чем:

• Полностью 32-битная архитектура: все регистры 32-битные, арифметические операции работают с 32-битными данными; умножение 32 x 32 -> 32 выполняется за 1 такт, деление — за 2-12 тактов. Благодаря этому CM3 за то же время успевает сделать больше, чем 8-ми и 16-битные МК.
• Большое количество (от 16) регистров общего назначения, характерное для архитектуры RISC. Так как регистры работают на частоте процессора, а RAM — на меньшей, всегда предпочтительнее работать с данными в регистрах, а чем их больше, тем дольше можно обходиться без использования RAM. Тут соперничать c CM3 могут разве что AVR.
• Отличная поддержка режимов энергосбережения. Можно отправить в спячку как весь МК, так и отдельные его подсистемы.
• 24-битный таймер SysTick
  Этот таймер без ШИМ (PWM), зато 24-битный: можно задавать интервал срабатывания в широких пределах, не особо парясь. Самое то для организации конечных автоматов и планировщика RTOS.
• Полноценная отладка по JTAG или SWD даже на младших кристаллах. Полноценная — значит, можно ставить точки останова (breakpoints), просматривать содержимое переменных и регистров, выполнять программу пошагово и т.п.
• NVIC — Nested Vectored Interrupt Controller
  Контроллер прерываний, который поддерживает до 240 прерываний на все случаи жизни, до 256 их приоритетов, и обеспечивает быструю реакцию на прерывания.
• Контроллера DMA — Direct Memory Access
  Очень полезная вещь — позволяет периферии (UART, SPI, I2C и пр.) читать/писать дынные в RAM без участия МК. То есть, можно дать задание контроллеру DMA считать в указанный буфер 100 байт по SPI, и эта задача будет выполняться в фоне, не загружая МК.
• Высокая плотность кода. Для большинство более-менее сложных проектов размер кода будет меньше, чем для многих других МК. Это достигается за счёт специально разработанного для этих целей набора инструкций Thumb-2. Меньше размер кода — больше кода влезет в МК.
• Общая ориентированность набора инструкций на компиляторы C — например, наличие команд для табличных переходов (для swicth/case), битовых манипуляций (PORTA |= (1 << 3) и подобный код), условного исполнения инструкций (очень крутая фича). Всё это выливается в более эффективную оптимизацию кода компиляторами C, а значит и в более высокую скорость работы.
• Хорошие средства разработки: компилятор + среда разработки Keil от ARM Limited, IAR Embedded Workbench for ARM, связка компилятора GCC (сборка Sourcery CodeBench Lite Edition) и Eclipse IDE. Для пользователей Windows есть совсем простая в использовании CoIDE на базе GCC + Eclipse. Вариации с Eclipse круче всего, так как в ней есть поддержка всего, что нужно для удобного программирования: подсветка синтаксиса, умное автодополнение и автозавершение кода, сниппеты, отладчик, всплывающие подсказки с комментариями к функциям и переменным, рефакторинг.

Это мы пока рассматривали Cortex-M3 вообще, а изучать мы их будем на линейке STM32F10x от компании ST Microelectronics, производителем электронных компонентов с мировым именем. Эти ребята очень серьёзно подошли к разработке своих МК на базе Cortex-M3, в результате чего STM32 имеют ряд своих собственных достоинств. Во-первых, это богатая периферия:

• Несколько многоканальных скоростных 12-битных АЦП, до миллиона измерений в секунду, режим непрерывного измерения.
• Двухканальный ЦАП, умеющий работать в 8-ми и в 12-битном режимах.
• 12-канальный контроллер DMA, обслуживает до 12 запросов, имеет 4 уровня приоритетов, независимые размеры блоков данных для приёма и передачи (8, 16 и 32 бита), поддержка кольцевого буфера (!), передача данных в режимах память->память, память->периферия, периферия>память и периферия>периферия.
• Несколько 16-битных таймеров с произвольными делителями (не только степени двойки, как в AVR), которые умеют генерировать прерывания по переполнению, по сравнению, генерировать ШИМ, измерять длину и число входящих импульсов, запускать ЦАП, и даже автоматически считать импульсы с энкодеров и датчиков Холла!
• NVIC, помимо всего прочего, поддерживает до 20 прерываний от внешних источников.
• Модуль RTC (Real-Time Clock) — часы реального времени с счётчиком и будильником.
• Несколько Watchdog-таймеров для пущей надёжности.
• FSMC — Flexible Static Memory Controller
  Обеспечивает прозрачный доступ к нескольким видам памяти — SRAM, ROM, NOR Flash, NAND Flash, PSRAM и 16-битным PC Card-совместимым устройствам.
• SDIO — Secure Digital I/O interface
  Делает львиную долю работы по чтению/записи на карты памяти MMC и SD, что даёт возможность легко и просто прикрутить поддержку FAT и полноценно работать с файлами на карточках.
• USB
  Полная поддержка стантарта USB 2.0 Full-speed, до 8 эндпоинтов.
• USB OTG (On-The-Go)
  Эта технология позволяет связывать USB-устройства с её пооддержкой без участия хоста — например, цифровую камеру с принтером.
• Ethernet, MAC-уровень
  Ага, можно связываться с компом по локальной сети. С внешней PHY-микросхемой может выжимать 10/100 Мбит/с.
• Шина I2S — шина цифровой связи аудио-устройств.
• Ну, и стантдартный набор: UART, SPI, I2C, CAN.

Во-вторых, у STM32 очень хорошая структурированная документация:

• Один Reference manual с описанием всей периферии на всю линейку STM32F10x
• Подробная документация по каждой отдельной серии МК — распиновка, корпуса, наименование и т.п.
• Приличное количество аппноутов (Application Notes) — рекомендаций по применению: правильный подбор источника тактирования, питания, примеры работы с LCD, SD-картами, RTC и многое другое.

В-третьих, совместимость — и по расположению ног на кристалле, и по коду. То есть, если не хватает производительности, Flash, RAM или периферии, то можно без модификации кода и без переделки платы просто поставить на плату МК пожирнее с тем же количеством ног.

В-четвёртых, цена. Самый младший камень из серии — STM32F100C4T6B — можно купить за 1-2 $, при этом он имеет 48 ног, 16 КБ Flash, 4 КБ SRAM и может работать на частоте 24 МГц, ну и UARTы и прочие интерфейсы в наличии. То есть, он круче, чем стандартный для Arduino контроллер ATmega168. Конечно, 48 ног — это не DIP-корпус, а TQFP: в макетку или в панельку его не воткнёшь, нужно плату разводить. Но технология изготовления печатных плат в домашних условиях ЛУТ уже расписана вдоль и поперёк, так что не такая уж это и проблема.

Ну, и наконец, платы вроде Arduino для быстрого освоения у ST тоже имеются, и начнём мы изучать STM32 с одной из них — STM32 Discovery:

Так что, если кто не силён в пайке, расслабьтесь. В этой плате есть встроенный отладчик ST-Link, так что вы сможете вкусить всю прелесть полноценной отладки, для которой к AVR пришлось бы докупать AVRDragon за 70$.

В общем, STM32 — это выбор редакции, однозначно. Теперь о цикле статей. Если коротко, то цель цикла — описать STM32F10x вдоль и поперёк. А,если длинно, мы с вами:

• Изучим всю периферию линейки со всеми режимами работы.
• Познаем всю прелесть и сложность работы с прерываниями.
• Научимся разным полезным программерским трюкам и приёмам.
• Подтянем свои знания языка C.
• Научимся комбинировать полученные знания и к концу курса сделаем хотя бы одно относительно сложное устройство (уровня MP3-плеера).

Кто хочет прокачаться в программировании МК, у кого есть стальные яйца воля к победе, кто не боится трудностей — ждите продолжение, оно скоро будет. Заряжайте свои мечи, падаваны (: