STM32CubeMX和HAL驱动库的嵌入式系统设计浅谈

1.课程详情

嵌入式系统是电子信息产业的基础，广泛应用于工业控制等领域。本课程选用ST公司的STM32F4微控制器为载体，采用STM32CubeMX开发工具及HAL驱动库，以嵌入式硬件设计和软件设计为主线，按照“最小系统电路设计 → 开发工具使用 → 片内外设应用” 的路径，分层次、递进式的讲授嵌入式系统的设计方法。—— 课程团队

2.课程概述

嵌入式系统是电子信息产业的基础，是智能系统的核心，广泛应用于工业控制、汽车电子、智能家居、医疗器械和智能穿戴设备等众多领域。伴随物联网和人工智能的快速发展，嵌入式系统在智能系统中发挥着越来越大的作用。

《嵌入式系统设计》是电子信息类专业的学科基础课程。本课程选用意法半导体公司的STM32F4微控制器为载体，以嵌入式硬件设计和软件设计为主线，结合工程实践，按照“最小系统电路设计 → 开发工具使用 → 片内外设应用 ”的路径，分层次、递进式的讲授嵌入式系统的设计方法。

本课程使用了意法半导体公司STM32CubeMX开发工具以及HAL驱动库完成微控制器的设计。STM32CubeMX软件提供简洁的图形化界面，设计者无需编写任何代码，就可以完成引脚分配、时钟设置和外设设置等初始化工作，并生成基于MDK-ARM等集成开发环境的工程框架，使设计者可以更专注于应用层代码的编写。采用库函数的编程方式可以不必了解硬件寄存器的含义，利用库函数提供的接口函数快速实现功能。基于图形化的配置方式和库函数的编程方式使得初学者可以快速入门嵌入式系统的设计和开发，降低了学习的门槛。

本课程与工程实践紧密结合，课程中融入了电路设计软件的使用、硬件抽象层设计、状态机设计和通信协议设计等实用的工程技能，注重培养学生解决复杂工程问题的能力。

本课程的硬件平台选用意法半导体公司的官方开发板Nucleo-F411RE。该开发板采用USB接口供电，集成ST-Link仿真器，板载基本的指示灯和按键，并设计了Arduino UNO的接口，方便用户接入Arduino生态圈的扩展板。NucleoF411RE开发板价格便宜，不足百元，可以很方便地在淘宝等购物平台购买。

各教学单元的内容及学时分配如下：

1、嵌入式系统概要：4学时

2、STM32F4微控制器电路设计：4学时

3、STM32微控制器开发环境的搭建：2学时

4、STM32CubeMX软件的使用：2学时

5、MDK-ARM开发软件的使用：4学时

6、通用输入/输出接口：8学时

7、外部中断：4学时

8、定时器：8学时

9、串口通信：8学时

3.授课目标

通过课程的学习，要求学生掌握嵌入式系统的基础知识；熟练掌握Cortex-M4内核微控制器的内部结构及片内外设的应用。掌握嵌入式系统的设计及软硬件调试方法。能够设计、调试简单的嵌入式系统，使学生初步具备实际工作的能力。

4.课程大纲

01.嵌入式系统概要

掌握嵌入式系统的概念和组成；了解嵌入式系统的编程模式及程序开发方式；了解硬件抽象层设计思想。

02.STM32微控制器硬件电路设计

了解STM32微控制器的特点；掌握Nucleo开发板的设计原理；熟练应用电路设计软件完成微控制器最小系统设计。

03.STM32微控制器开发环境的搭建

了解STM32Cube生态系统的组成；了解STM32CubeMX软件的开发特点及开发流程；完成STM32开发环境的搭建。

04.STM32CubeMX软件的使用

了解HAL库的基本特点；熟练掌握STM32CubeMX的使用流程；熟练掌握MDK软件的程序编写和程序下载方法。

05.MDK-ARM开发软件的使用

熟练掌握MDK-ARM的使用流程；熟练掌握软件的调试方式；了解MDK-ARM软件的RTE工具。

06.通用输入输出接口

了解GPIO的功能和特点；掌握基于寄存器和基于库函数的程序开发方式；了解库函数的设计思想；掌握硬件抽象层的设计思想和实现方法。

07.外部中断

掌握中断的基本概念和作用；了解HAL库的中断处理流程；熟练运用外部中断进行程序设计。

08.定时器

了解定时器的功能和特点；了解HAL库的外设模块设计方法；熟练掌握定时器的定时功能使用方法；熟练掌握定时器的PWM功能使用方法。

09.串口通信

了解通信的基本概念；了解HAL库的外设初始化设计思想；熟练掌握轮询方式下的串口通信编程方法；熟练掌握中断方式下的串口通信编程方法。

5.预备知识

本课程的学习需要C语言程序设计和电子线路设计等预备课程的知识。

6.参考资料

［1］ （英）Joseph Yiu著。宋岩译。 ARM Cortex-M3权威指南。 北京： 北京航空航天大学出版社，2009.［2］ 刘火良。 STM32库开发实战指南（第二版）［M］。 北京： 电子工业出版社， 2018.［3］ 高显生。 STM32F0实战—基于HAL库开发［M］。 北京： 机械工业出版社， 2019.

7.常见问题

［1］硬件平台：Nucleo-F411RE开发板，可在意法半导体的官方淘宝店购买［2］STM32CubeMX软件下载地址：http://www.st.com/stm32cubemx［3］MDK-ARM软件下载地址：http://www.keil.com/download/product/