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ARM-Mikrocontroller haben sich auf dem Elektronikmarkt zu einem echten Renner entwickelt. Lohnt es sich, diese Plattform genauer unter die Lupe zu nehmen? Erfahren Sie mehr in unserem neuen Beitrag!
Das "ewige" Dilemma - 8 Bit oder 32 Bit?
Zu Beginn des dritten Jahrzehnts des 21. Jahrhunderts kann man wohl ohne Übertreibung sagen, dass die große Mehrheit der Elektronikingenieure ihr Abenteuer der Mikrocontroller-Programmierung mit 8-Bit-Chips beginnt. Unkomplizierte Prozessoren – vor allem der AVR oder PIC (von Microchip) – werden dort eingesetzt, wo Kosteneinsparungen, effizienter Stromverbrauch und einfache Programmierung im Vordergrund stehen. Sie finden sich in einer Reihe von Anwendungen, von einfachen Kontrollsystemen in Lüftungsanlagen bis hin zu Computerperipheriegeräten und Messumformern, die in der industriellen Automatisierung eingesetzt werden.
Seit etwa zehn Jahren erfreuen sich die wesentlich leistungsfähigeren 32-Bit-Mikrocontroller zunehmender Beliebtheit, da sie eine unvergleichlich höhere Rechenleistung und eine wesentlich bessere Ausstattung mit Hardware-Peripheriebausteinen bieten. Aus diesem Grund werden 32-Bit-Chips – in der Regel auf der Grundlage der ARM-Architektur – in einer Vielzahl von komplexeren Anwendungen eingesetzt: IoT-Geräte, Überwachungs- und Steuerungssysteme, fortschrittliche industrielle Steuerungen, medizinische Geräte, Telemetriesysteme, komplexe Mensch-Maschine-Schnittstellen (einschließlich Touchscreen-Bedienfelder) und viele andere sind hier zu nennen.
Die leistungsfähigeren 32-Bit-Einheiten werden meist für Aufgaben gewählt, die eine intensive Echtzeit-Datenverarbeitung, die Ausführung komplexer Algorithmen auf großen Datenströmen (z. B. Audio oder Video), umfangreiche Kommunikationsfunktionen oder die Unterstützung von High-Level-Betriebssystemen erfordern.
Obwohl die Rechenleistung, die große Auswahl an Hardware-Blöcken und die Verfügbarkeit umfangreicher Programmierbibliotheken und fortschrittlicher Entwicklungswerkzeuge für 32-Bit-Mikrocontroller unschätzbare Vorteile sind, haben sie auch ihren Preis – sowohl in Bezug auf die Kosten der Chips selbst als auch in Bezug auf die Schwierigkeit des Aufbaus und der Programmierung.
STM32-Mikrocontroller - unvergleichliche Leistung zu einem günstigen Preis
STM32-Chips sind hochmoderne 32-Bit-Mikrocontroller und Anwendungs-Mikroprozessoren, die von STMicroelectronics hergestellt werden. Sie basieren auf leistungsstarken ARM Cortex-M-Kernen, unterstützt durch eine Fülle leistungsfähiger Peripherieblöcke, zu denen Hochgeschwindigkeits-ADCs und -DACs mit 12 Bit, komplexe Kommunikationsschnittstellen (SPI, I2C, USART, USB OTG, Ethernet PHY, CAN, I2S, HDMI CEC und viele andere), fortschrittliche Timer/Zähler, Grafik-Coprozessoren, DMA- und externe Speichercontroller, Blöcke zur Unterstützung von AES- und CRC-Algorithmen oder schließlich grundlegende “System”-Umgebungen wie SysTick-Timer, Watchdog oder RCC gehören können.
Je nach Modell können die STM32-Mikrocontroller auf einem der folgenden Kerne basieren: Cortex-M0, M0+, M3, M4, M7 oder H7. Höhere Kernzahlen bedeuten mehr Verarbeitungsmöglichkeiten, zu denen häufig eine Gleitkommaeinheit (FPU) gehört, die die Ausführung von DSP-Algorithmen oder die Steuerung von Aktoren (z. B. Elektromotoren) in einer Rückkopplungsschleife erheblich unterstützt.
Je nach Produktgruppe verwenden ihre Kerne die Architektur ARMv6-M, ARMv7-M oder ARMv7E-M, mit Ausnahme der neuesten STM32-Mikrocontroller, die auf ARM Cortex-M33-Kernen mit ARMv8-M-Architektur basieren. Wichtig ist, dass einfachere STM32-Mikrocontroller (insbesondere die der STM32F0-, STM32F1- oder STM32G0-Familien) zu Einzelhandelspreisen erhältlich sind, die denen vieler 8-Bit-Prozessoren nahe kommen, obwohl sie diese in Bezug auf Rechenleistung und Peripheriegeräte oft “übertreffen”.
Welche Produkte sind Teil des STM32-Ökosystems?
STM32 ist in der Tat ein umfangreiches Ökosystem, das sich auf mehrere Mikrocontroller-Familien stützt (die in Bezug auf ihre Fähigkeiten diametral entgegengesetzt sind), aber auch eine Vielzahl von Hardware-Tools (Evaluierungsboards und Programmierer/Debugger) und Entwicklungssoftware (IDEs, Compiler, grafische Konfigurationscode-Generatoren usw.) sowie eine umfangreiche Dokumentation (Anwendungshinweise, Beispielprojekte, Kataloghinweise, Entwicklerleitfäden usw.) umfasst. Im Folgenden werden wir kurz die wichtigsten Gruppen von STM32-Chips skizzieren, auf die man beim Durchsuchen von Online-Ressourcen oder Laufzeit-Tool-Angeboten stoßen kann.
- STM32F0, STM32F1 – relativ einfache Mikrocontroller auf der Basis von Cortex-M0- und M3-Kernen, die auf Anwendungen mit niedrigen Produktionskosten und relativ geringem Stromverbrauch ausgerichtet sind, aber mit einer Reihe der am häufigsten verwendeten Peripheriegeräte ausgestattet sind. Sie sind weit verbreitet in Industrieanlagen, in der Unterhaltungselektronik (die keine anspruchsvollen grafischen Anzeigen erfordert), in der Haushalts- und Unterhaltungselektronik und in vielen anderen Bereichen.
- STM32F4, STM32F7 – viel leistungsfähiger, bereits auf Cortex-M4- und M7-Kernen basierend. Sie eignen sich ideal für Anwendungen, die eine schnelle Datenverarbeitung erfordern, unterstützen Fließkommaoperationen und eignen sich gut für Geräte, die Grafiken mit mittlerer bis hoher Auflösung benötigen (auf Bildschirmen, die in der Regel nicht größer als ein paar Zoll in der Diagonale sind).
- STM32H7 – eine Serie von Prozessoren mit enormer Rechenleistung, die hohe Taktraten und umfangreiche Peripherieschnittstellen, einschließlich USB 2.0 HS oder Ethernet, bieten. Sie eignen sich hervorragend für die Unterstützung fortgeschrittener GUI-Schnittstellen auf Basis von High-Level-Betriebssystemen (z. B. Linux).
- STM32L – umfasst Mikrocontroller, die in hohem Maße für einen niedrigen Stromverbrauch optimiert sind und M0+ bis M4-Kerne verwenden, aber mit einem Technologieprozess implementiert sind, der eine deutlich längere Batterie- oder Akkulaufzeit ermöglicht. Die höchsten Modelle der Serie (STM32L4) eignen sich sogar für Anwendungen der künstlichen Intelligenz.
- STM32G – eine weitere Familie von STM32-Mikrocontrollern, die die Unterfamilien G0 und G4 umfasst. Während die STM32G0-Chips (Cortex-M0+) ein hervorragendes Verhältnis zwischen Leistung und Stromverbrauch bieten, ist der STM32G4 (mit Cortex-M4-Kern, ausgestattet mit FPU) für Anwendungen gedacht, die eine erweiterte Signalverarbeitung oder Motorsteuerung erfordern.
- STM32W – eine Familie von Chips, die auf ARM Cortex M0+, M4 oder M33-Kernen basieren, mit integrierten drahtlosen Transceivern ausgestattet sind und sich dadurch perfekt für Anwendungen im IoT-Gerätesegment eignen.
Wie fängt man mit der STM32-Programmierung an?
Diese Frage wird seit vielen Jahren von verschiedenen Generationen von Elektronikingenieuren gestellt, die sich im Übrigen auf unterschiedlichen Niveaus befinden. Es kann mehrere Antworten geben, und natürlich hängt alles von den individuellen Vorlieben ab. Wer des Englischen mächtig ist, kann die umfangreiche Datenbank mit Unterrichtsmaterialien auf der Webseite des Herstellers STMicroelectronics erfolgreich nutzen.
