使用可擴充的微控制器達到設計靈活性

隨著人工智慧 (AI) 和具有豐富圖形的複雜人機介面 (HMI) 等先進功能日益融入各種應用，產品設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，設計人員也被要求開發成本最佳化的產品，因此不得不拋棄酷炫功能。在這些相互矛盾的壓力下，設計人員必須挑選一款能隨時擴充的 MCU，以便滿足各種市場需求。

此外，創新的腳步不斷加快，也導致壓力不斷增加。由於應用需求可能會發生意外變化，可輕鬆取得替代的 MCU 極其關鍵。除此之外，還必須考量如何因應未來的需求以及資源的再次利用。若可將設計元素再次運用到其他專案，就可大幅節省時間與成本。

有個方法可因應這些難題，就是挑選能提供多樣化選項的 MCU 系列。STMicroelectronics 的 STM32H7 就是很好的例子。此系列從價值最佳化的入門級 32 位元 MCU 到功能豐富的雙核心 MCU 都包括在內。

本文以 STM32H7 系列的功能為例，重點說明挑選 MCU 系列時應考慮的條件。此外，也會介紹 STM32H7 MCU 的開發板與工具，並說明如何使用此基礎架構來展開專案。

讓 MCU 系列達到靈活性和擴充性的因素

在尋找具有靈活性的 MCU 系列時要考量眾多因素。擁有多種效能和功率等級的選項尤其重要。理想的 MCU 系列應具有涵蓋多種時脈速度的選項，以及針對不同目標進行最佳化的核心。例如，Arm® Cortex®-M4 就以低功率為目標，Arm Cortex-M7 則可達到高效能。

理想的系列應涵蓋具有基本處理功能的 MCU 並提供延伸功能選項。許多應用都要求提供資料保護與安全通訊機制。硬體式加密、安全啟動和加密加速器等功能，對於這類應用至關重要。同樣地，數位訊號處理器 (DSP) 和浮點指令對資料密集型應用來說也相當重要。

此外，MCU 系列也應提供多種 RAM 及快閃記憶體容量選項，既可配合簡單的應用，也能因應需要龐大軟體架構或資料儲存空間的應用。MCU 應具有外部憶體介面，以便在內部記憶體空間不足時，為應用提供必要的擴充能力。

最後，MCU 若具有更多周邊裝置選項，就能因應更廣泛的應用。確保 MCU 系列具有進階 I/O 的選項相當重要，例如 USB、乙太網路、藍牙和 Wi-Fi，因為要在之後設計中以升級方式添加這些介面可能不容易。理想情況下，所選系列應可在其品項間提供引腳相容性，以支援硬體升級或降級，而無需對印刷電路板 (PCB) 進行重大的重新設計。

開發工具應可從軟體層面為整個 MCU 系列提供支援。為了加快開發，應提供一致的軟體應用程式開發介面 (API) 以及一套完備的函式庫、中介軟體以及即時作業系統 (RTOS)。

STM32H7：多功能性個案研究

STMicroelectronics 的 STM32H7 系列是符合上述條件的典範之一。如表 1 所示，此系列具有很大的擴充性，並以 Arm Cortex-M7 為基礎推出眾多款式，涵蓋基本和進階 MCU。此系列分成四個子系列，分別針對不同的應用進行最佳化。

表 1：STM32H7 四個子系列的主要特色。(表格來源：作者，原始資料取自 STMicroelectronics)

超值系列的時脈速度介於 280 至 550 MHz，配有 128 KB 嵌入式快閃記憶體和 1 MB RAM。此系列支援多種通訊介面和外部記憶體擴充元件，可針對效能導向的系統提供符合成本效益的解決方案。STM32H750VBT6 就屬於這類MCU，採用 14 x 14 mm 100-LQFP 封裝。

單核心系列的時脈速度也介於 280 至 550 MHz。此系列配有高達 2 MB 快閃記憶體和高達 1.4 MB RAM，適用於需要豐富使用者介面和即時控制功能的應用。STM32H743IIK6 就是例子之一，採用 10 x 10 mm 201-UFBGA 封裝。

雙核心系列採用了專門為提升效率而最佳化的輔助 Arm Cortex-M4 核心。嵌入式切換式電源供應器 (SMPS) 可增強能源效率。其他先進的周邊裝置包括 TFT-LCD、MIPI-DSI 和硬體 JPEG 編解碼器。有個典型例子是 STM32H747AII6，其採用 7 x 7 mm 169-UFBGA 封裝。

BootFlash 系列以其出色的效能而著稱，最高時脈速度可達 600 MHz。其設計有利於即時性晶片內執行 (XiP) 應用，並搭載 64 KB 啟動快閃記憶體與 620 KB RAM。此外，此系列的部分型號更可選配 NeoChrom GPU，以增強圖形加速能力。此系列有個典型例子是 STM32H7R3Z8J6，其採用 10 x 10 mm 144-UFBGA 封裝。

STM32F4 及 STM32F7 系列彼此相容的優點

STM32H7 屬於 STMicroelectronics 豐富的 MCU 系列之一，在引腳上可相容於絕大多數常見封裝的同類型 STM32F4 及 STM32F7 系列。這些 MCU 均以 Arm Cortex-M 核心為基礎，並具有類似的周邊裝置和 GPIO 引腳佈局。這些共通點能讓設計人員更輕鬆在這些 MCU 之間挪用，而無需大幅更動硬體。在升級產品或運用各系列的不同功能設計新產品時，這種相容性就可縮減開發時間和成本。

此外，這些 MCU 皆由相容的軟體開發生態系統提供支援，包括配置與初始化程式碼產生用的 STM32CubeMX，以及開發與除錯用的 STM32CubeIDE。這種相容性可確保無論是採用任一系列的專案，皆可再次利用這些軟體元件、中介軟體和應用程式碼，即可進一步加快開發週期。

開始使用 STM32H7 系列 MCU

要開始使用 STM32H7 MCU 有幾個關鍵步驟，更要有效利用開發板與工具。以下逐步說明指南將介紹如何開始利用這些強大的微控制器進行開發。

1.挑選開發板

探索套件是初學者入門探索的理想選擇，其配備整合式除錯器／編程器，且通常也具有多種板載使用者 LED、按鍵、感測器和連接選項。Nucleo 板 (如圖 1 所示的 NUCLEO-F767ZI) 就在靈活性和價格負擔之間取得良好的平衡。更相容於 ArduinoUno，因此可輕鬆擴充，同時還具有 STLINK 介面，可搭配除錯器／編程器使用。

圖 1：NUCLEO-F767ZI 開發板是簡單又靈活的實驗起點。(圖片來源：STMicroelectronics)

這些評估板提供最全面的周邊裝置和連接選項，有助於探索各項功能。例如，STM32H745I-DISCO (圖 2) 和 STM32H750B-DK 等探索套件，就具有下列特點，可輕鬆評估多種介面：

• 4.3 吋RGB 介面 LCD 搭配觸控式面板
• 乙太網路，符合 IEEE-802.3-2002
• 乙太網路供電 (PoE)
• USB OTG FS
• SAI 音訊編解碼器
• 一個 ST-MEMS 數位麥克風
• 2 個 512 Mbit Quad-SPI NOR 快閃記憶體
• 128 Mbit SDRAM
• 4 GB 板載 eMMC
• 2 個 CAN FD
• 相容於 Arduino 擴充板
• 板載 STLINK-V3E 除錯器／編程器具有 USB 重新列舉能力：大容量儲存裝置、虛擬 COM 連接埠、除錯連接埠

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

2.設定軟體工具

STMicroelectronics 針對旗下 MCU 提供整合式開發環境 (IDE) (圖 3)。其中含有編譯器、除錯器以及用於產生初始化程式碼和設定周邊裝置的配置工具。

圖 3：此為 STM32H7 IDE 的螢幕截圖。(圖片來源：STMicroelectronics)

3.學習和探索

接著，建議您閱讀相關文件。最好先從開發板的使用者手冊，以及相關的 STM32H7 參考手冊開始。這些文件提供有關 MCU 架構、周邊裝置配置、引腳多工器及硬體特性的重要資訊。

利用範例專案進行實驗，是瞭解工具的有效方法。STMicroelectronics 針對各種 STM32 MCU 提供一系列範例專案。這些範例是瞭解如何使用不同 MCU 功能的絕佳起點。

最後，也有開發人員社群可以提供額外的支援。可利用 ST Community、教學課程和影片等資源解決常見的問題，也可提供潛在專案的靈感。

4.開發和除錯

此 IDE 提供各項必要資源，可開始進行程式的編寫、編譯與除錯。IDE 中的配置工具可用來初始化周邊裝置並設定中介軟體。此開發板具有整合式 STLINK 除錯器／編程器介面，可達到即時除錯。可設定斷點、觀察變數和逐步執行程式碼來找出問題。

5.專案擴充

擴充板可以為探索板和 Nucleo 板增添連接或感測器等功能。透過開發板建立所需的功能後，可參考開發板的線路圖來設計客製化的 PCB。有個客製化 PCB 的例子是 Seeed Technology Co., Ltd 的 OpenMV4 CAM H7 攝影機平台 (圖 4)，其採用單核心 STM32H743。

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

另一個例子是 Arduino 推出的 ABX00051 Nicla Vision (圖 5)，其採用雙核心 STM32H747。

圖 5：ABX00051 Nicla Vision 有助於開發人員評估不同的影像感測器。(圖片來源：Arduino)

結論

在產品設計中，為了兼顧進階功能和成本最佳化這兩個相互矛盾的需求，挑選合適的 MCU 相當重要。STMicroelectronics 的 STM32H7 系列正是選對 MCU 系列的典範，其提供可擴充且靈活的解決方案，不僅能滿足當前的需求，也能因應未來。