微控制器原理與應用基於STM32 ARM Cortex-M4F處理器2版

＜內容簡介＞ 本書主要內容包括ARM Cortex-M4處理器與STM32F4微控制器簡介、STM32CubeMX、Keil MDK-ARM與STM-Studio開發工具的介紹、通用輸入輸出埠技術、中斷技術、串列通信技術、TFT LCD顯示與觸控控制技術、FATFS檔案系統與SD卡讀寫控制技術。本書附有完整的範例程式與詳盡的實驗步驟，帶領讀者逐步完成微控制器程式的設計撰寫，培養讀者微控制器系統的開發能力。 ★目錄： 第1章 ARM Cortex-M4處理器與STM32F4微控制器簡介 1-1 Cortex-M處理器家族 1-2 ARM Cortex-M4F處理器基本結構 1-3 STM32F412ZGT6微處理器 第2章 STM32F4系列微控制器開發平台與開發工具介紹 2-1 開發平台：STM32F412G-DISCO探索板 2-2 系統需求 2-3 開發工具 第3章 最小軟體系統 3-1 最小軟體系統製作 3-2 開機啟動程式 第4章 通用輸入輸出埠GPIO與LED顯示控制 4-1 GPIO簡介 4-2 GPIO埠基本結構介紹 4-3 LED閃爍的實驗：使用GPIO輸出控制LED顯示 4-4 LED_Blink專案程式碼解說 4-5 BSP函數庫：使用BSP函數控制LED顯示 第5章 JOYSTICK輸入控制 5-1 GPIO輸入模式 5-2 JOYSTICK單鈕控制LED燈（On/Off） 5-3 JOYSTICK多鈕控制LED燈狀態 5-4 使用BSP函數實作多按鈕控制LED燈狀態 第6章 TFT LCD顯示控制 6-1 TFT LCD裝置 6-2 FSMC介面 6-3 利用STM32CubeMX創建TFT LCD專案 6-4 TFT LCD顯示文字的實驗 6-5 TFT LCD顯示棋盤圖案的實驗 6-6 TFT LCD顯示動態圖案的實驗 第7章 基本計時器（Timer） 7-1 基本計時器簡介 7-2 定時中斷控制LED燈閃爍 第8章 外部中斷控制 8-1 外部中斷控制器簡介 8-2 外部中斷控制專案配置與中斷處理程式設計與測試 8-3 JOYSTICK單鈕中斷觸發改變LED燈閃爍速度 8-4 JOYSTICK多按鈕中斷控制LED顯示 第9章 脈波寬度調變控制 9-1 計時器PWM模式 9-2 PWM控制的實驗 第10章 即時時鐘控制 10-1 RTC簡介 10-2 RTC日曆 10-3 RTC鬧鐘 10-4 RTC日曆與鬧鐘功能實驗 第11章 觸控螢幕控制 11-1 觸摸晶片簡介 11-2 I2C介面簡介 11-3 建立觸控螢幕專案 11-4 TFT LCD觸控螢幕控制的實驗 第12章 類比至數位轉換器（ADC） 12-1 逐次逼近型（SAR：Successive Approximation Register）ADC原理 12-2 ADC的主要參數 12-3 STM32F412ZGT6上的ADC 12-4 利用ADC量測MCU內部溫度 第13章 UART通訊界面 13-1 UART簡介 13-2 輪詢式（Polling）UART通訊 13-3 中斷式（Interrupt） UART通訊 13-4 直接記憶體存取式（DMA） UART通訊 第14章 音訊錄製與播放 14-1 原理簡介 14-2 音訊錄製與播放之STM32CubeMX配置 14-3 音訊錄製與播放的軟體設計 第15章 FATFS檔案系統與SD卡讀寫控制 15-1 SD/SDIO MMC卡介面 15-2 FATFS簡介 15-3 利用STM32CubeMX創建SD卡讀寫控制的專案 15-4 SD卡讀寫控制的實驗 第16章 圖像播放器 16-1 利用STM32cubeMX創建圖像播放器 16-2 圖像播放的軟體設計 ＜作者簡介＞ 張國清 臺灣大學電機工程學博士 現任義守大學資訊工程學系專任副教授。其研究專長為微處理器架構、嵌入式系統、作業系統、物聯網、人工智慧等。曾參與過中華電信多項專案研究計畫，曾榮獲Altera亞洲創新設計大賽卓越指導老師獎，也曾獲得義守大學電機資訊學院傑出教學獎，擁有豐富的實務及教學經驗。 陳延華 義守大學電機研究所博士 目前任職於義守大學資工系專任教授，本書作者從事程式設計領域教學多年，廣泛接觸各種不同背景與程度的學生，對於毫無基礎或不同程度的初學者，學會如何撰寫程式，有獨特見解與教學方法。 柯松源 英國克倫菲爾大學博士 從事嵌入式系統設計與分析的工作多年，對微處理器的架構有深入的研究。專長為數位信號處理、雷達工程。曾帶領學生獲得「全國大專院校嵌入式軟體設計競賽」多媒體應用組的優等獎，也曾獲得國科會自由軟體嵌入式系統計畫類績優計畫獎，擁有豐富的實務及教學經驗。 廖冠雄 清華大學資訊工程學博士 現任義守大學資訊工程學系專任助理教授。其研究專長為無線網路、物聯網、網際網路電信、光波網路等。擁有多年網路相關課程授課經驗，參與過多項物聯網相關磨課師課程教材開發，對嵌入式系統軟體開發也具有相當的實務經驗。 ★內文試閱： ARM Cortex-M4處理器與STM32F4微控制器簡介 ARM Cortex處理器屬於ARMv7架構，如圖1-1，分為Cortex-A、Cortex-R和Cortex-M三子系列。Cortex-A是一種應用處理器（application processor），它是針對高效能應用平台系統而設計，通常用於行動運算、智慧型手機、高能效伺服器等。Cortex-R是一種即時處理器（real-time processor），其設計強化了即時應用系統的性能與可靠度，適用於硬碟控制器、汽車傳動系統和無線通訊的基頻控制等領域。Cortex-M是一種微控制處理器（microcontroller processor），專門用於嵌入式微控制領城，具有高成本效益比的優勢，通常用於智能電表、穿戴式裝置、汽車與工業控制系統、消費電子產品和物聯網等。 本書選擇一款STMicroelectronics（意法半導體）STM32F412G-DISCO探索板作為開發平台（如圖1-2），此探索板含有STM32F412ZGT6高效能微控制器與豐富的周邊介面，如TFT LCD觸控螢幕、LED、I2S音訊編解碼器、數位MEMS麥克風、搖桿、USB OTG FS、四路SPI快閃記憶體及microSD記憶卡連接器。其中，STM¬32F412ZGT6微控制器（如圖1-3）是基於高性能ARM Cortex-M4F 32位元RISC內核的高效能微控制器，工作頻率高達100 MHz，125 DMIPS性能，Cortex-M4F內核具有單精確度浮點單元（Floating Point Unit, FPU），支援多有ARM單精確度資料處理指令和資料類型，嵌入高速記憶體（1MB快閃記憶體，256 KB SRAM）。此探索板售價在台幣1000元以下，讀者可於以下網站購得。 https://www.mouser.tw/、https://www.digikey.tw/ 本章將介紹Cortex-M處理器家族、Cortex-M4F內核的基本結構，以及基於Cortex-M4F內核的高效能STM32F412ZGT6微處理器。 1-1 Cortex-M處理器家族 ARM Cortex-M架構，依照系統功能需求分成M0至M4與M7的等級，Cortex-M0 用於初階8/16位元應用，Cortex-M3針對中階的16/32位元應用，Cortex-M4主打高階32位元與數位信號控制應用，而Cortex-M7是Cortex-M家族最新和最高性能的處理器內核，適合用於旗艦級消費者、工業、醫療和物聯網（IoT）設備。因此，Cortex-M處理器家族包含各式功能的處理器類型來滿足不同的需求： 1-2 ARM Cortex-M4F處理器基本結構 Cortex-M4F處理器是基於ARMv7-M架構的32位元高性能處理器內核，採用三級管線（three-stage pipeline）的哈佛架構，支援Thumb-2技術的指令集，確保高代碼密度和降低程式存儲需求，該處理器提供符合IEEE754的單精確度浮點運算單元、一系列單週期乘加（MAC）指令、單指令多資料（SIMD）指令和飽和運算，以及專用的硬體除法器，大大減少數位信號分析、濾波、波形合成等功能所需要的執行週期數，用以滿足需要高效的控制和數位信號處理（DSP）功能混合的嵌入式微控制器應用的市場。 Cortex-M4F處理器基本結構如圖1-4所示，包含處理器內核、FPU、DSP、巢狀向量中斷控制器（ Nested Vectored Interrupt Controller，NVIC）、記憶體保護單元（ Memory Protection Unit，MPU ）、匯流排介面單元和追蹤除錯單元等。 1-2-1 處理器內核 一、處理器工作模式和軟體執行的特權級別 Cortex-M4F處理器具有兩種工作模式，如圖1-5： 1. 執行緒模式（thread mode） 用於執行應用程式軟體。處理器重置後，進入執行緒模式。 2. 處理器模式（handler mode） 用於處理異常。當處理器完成異常的處理之後返回到執行緒模式。 Cortex-M4F有兩種許可權級別：特權級（privileged）與非特權級（unprivileged）。