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RoboMaster机甲大师比赛入门？我们从STM32开始！

2023-05-16

同步博客地址：从STM32开始的RoboMaster生活：入门篇

项目&教程仓库：-STM32-RoboMaster-

1.0 STM32是什么

1.1 定义

STM32.jpg

  • ST + M + 32 = STM32

ST: SGS-Thomson 法意半导体

M: Microelectronics 微控制器 微处理器

32: 32位

–> STM32: 法意半导体所设计制造的32位微控制器系列产品

1.2 背景

  • RISC --> ARM --> Cortex-M --> STM32

精简指令集 RISC: Reduce Instruction Set Computer

复杂指令集 CISC ：Complex Instruction Set Computer

ARM.png

精简指令集并非简单的比复杂指令集简单，而是其高效快速便宜，强调效率和价格，所以，常见的嵌入式设备，手机等等均为精简指令集。接下来的ARM架构就是基于精简指令集的。

x86.jpg

而复杂指令集，强调指令的多样性和复杂性，常见于电脑和大型服务器，以往的Intel英特尔的x86 (IA-32) ，新起的x86-64 (AMD64) 均为复杂指令集。

ARM: Advanced RISC Machines 高级精简指令集机器

ARM处理器是英国Acorn有限公司设计的低功耗成本的第一款RISC微处理器。但实际上，真正的ARM是一个32位处理器框架，而Acorn自己从不生产处理器，而是搞处理器框架授权的，怎么实现其架构完全取决于客户自己，所以很多时候同为ARM架构的厂家互相之间的代码却不能直接套用。STM就是Acorn授权客户之一，所以STM大部分产品都是基于ARM架构的。

ARM处理器的三大特点是：耗电少功能强，16位/32位双指令集，和合作伙伴众多（所有手机都是ARM架构）。

目前ARM分为三大系列：Cortex-A，Cortex-R，Cortex-M

Cortex-A (Application): 适用于应用领域，支持 ARM和Thumb指令集，并支持虚拟地址和内存管

Cortex-R (Real-Time): 适用于高实时性领域，支持 ARM和Thumb指令集，只支持物理地址，并支持内存管理。

Cortex-M (eMbedded): 适用于微处理器领域，只支持Thumb指令集。

为我们接下来要讲的就是STM32系列就是基于Cortex-M架构的

1.3 系列

STM full.jpg

整个STM家族是非常庞大而繁杂的，当然，这里要是全部讨论比较一番，估计已经可以出几本书了www，所以，我们主要分析一下STM32系列下的MCU微控制器（左边的MPU才是微处理器）

STM full detail.png

STM detail.png

我来简单概括一下，一共有4个分支

  1. High-performance MCU: 高性能微处理器，是以CPU高度集成和多媒体应用为目的开发的，基于Cortex-M3/4/7，频率从120MHz (F2) 到400MHz (H7) 不等。该系列均配备ARTTM加速器，能够从Flash中0延迟加载数据。
  2. Mainstream MCU: 主流微控制器，是专门为对价格比较挑剔的产品开发的，成本要求甚至苛刻到一片1$以下，空间也非常受限。在这个类别下，有基于Cortex-M0/3/4框架的，频率从48MHz (F0) 到72MHz (F1/F3) 不等。
  3. Wireless MCU: 无线微控制器，是STM32微控制器家族新的双核成员，集成2.4GHz的通讯模块，可以用于无线和蓝牙应用。其中基于Cortex-M0+的核心（网络处理器）是用于通讯管理，而另外一个基于Cortex-M4的核心（应用处理器）是用于主要的嵌入式开发。
  4. Ultra Low-Power MCU: 超低功耗微控制器，该系列为低功耗应用而生，用于电池驱动的设备，从整体降低电池消耗来延迟电池使用时间。在这个系列中，我们可以找到针对低价客户的基于Cortex-M0的微控制器，和基于Cortex-M4F的带有动态电压调节 (DVS) 功能的微控制器，能够根据频率变化来最优化内部CPU电压。

如果各位需要购入，请务必详细阅读每个微控制器的详细数据，再根据项目要求来谨慎购买。推荐阅读：官方选材手册。

2.0 为什么选择STM32，抛弃Arduino？

这是个艰难的选择，我们有无数的理由选择Arduino，放弃STM32，比如Arduino简单易学开发迅速支持强大BUG少，STM32复杂难懂开发缓慢支持受限BUG多，但是很多时候我们不得不承认，现实就是，几乎没有真的用Arduino做产品开发的，而最流行的专业的嵌入式开发，STM32就是绕不开的一条路。说白了：Arduino就是玩具，给兴趣爱好者玩的；STM32才是真正的嵌入式，远远比Arduino强大几个量级，是开发电子产品的必备技能。

下面我们再详细的列举一下抛弃Arduino，选择STM32的理由

  1. STM32在硬件上比Arduino更强大

    STMvsArduino.png

    我们可以看出，STM32中常用的F103和Arduino中常用的ATmega328相比，在各种硬件指标上彻底完爆，甚至在价格上STM32还比Arduino便宜一点点？！(震惊)

  2. STM32有专门的低功耗系列，电量消耗是产品最重要的指标之一，消耗甚至比Arduino Nano在深度睡眠模式还要低很多？！(二次震惊)

  3. 没有高级封装的函数供你使用，也许很多人会说，这不正是STM32的缺陷吗？Arduino正是因为有这些函数，所以开发迅速，简单吗？是这样，没错。但是，正是因为STM32足够底层，足够复杂，所以相对应的，把所有的控制权和自由都交给了工程师，可以做到所有Arduino能做到的事情和其所有不能做到的事情。这和“为什么搞前端后端开发的为啥爱用Linux不用Windows呢？”一样，要举个例子说明的话，请问，您觉得建设帝国大厦，是用乐高呢？还是钢筋水泥呢？www

  4. 可以跑真正的操作系统，比如FreeRTOS，多任务处理不再是梦？！(三回啊三回)

  5. 专业应用的广泛。STM32甚至可以直接跑AI，而Arduino不行（只能外接模块），STM32可以运行IoT系统，而Arduino虽然可以，但是是没法发挥IoT真正的实力的。

  6. STM32是ARM下的一个分支，而所有的手机芯片基本都是ARM架构的，所以学会STM32对ARM下的其他分支开发，比如手机硬件开发等，都大有帮助，或者说是入门的必经之路

  7. “我是搞STM32开发的”听起来就很帅～～，而“我是玩Arduino项目的”则有些黯然失色。

3.0 STM32上手难度如何？

这部分我就直说了吧，难，非常难，资料少不说，数不尽的坑一定要自己全部踩过一遍才能熟悉开发环境。光是配置开发环境就花了我2周，就算要想做个最简单的LED流水灯，点亮个LED，也是要深入理解STM32的各种底层，芯片引脚设置才行的，这也是新手最劝退的地方，你能想象，至少要枯燥无聊地花一周阅读300页的手册才能点亮一个简单的LED吗？是不是有点兴致全无？但是，一但越过这个门槛，你就会打开STM32的大门，真正进入嵌入式的殿堂，深入地理解计算机内部的任何细节，无论软件还是硬件上的，你将会感觉自己身处一片智慧的汪洋什么都不懂，但同时又即将成为这片汪洋的新君主，感觉能通过计算机做到任何事情！！！

4.0 RoboMaster是什么？

言归正题，肯定很多人读到这里，会疑惑，“这该死的家伙搞了这么一堆东西，先推销STM32，又使劲劝退，结果半天了连RoboMaster都没解释一下”。别慌，诸位客官，这不正要讲嘛

全国大学生机器人大赛RoboMaster 机甲大师赛是由共青团中央、全国学联、深圳市人民政府联合主办，DJI 大疆创新发起并承办…

哦我的天哪，无聊死了，我们还是直接一点，看看实际的比赛

http://player.bilibili.com/player.html?aid=76130870&cid=130230429&page=1

5.0 RoboMaster仓库 & 教程安排

iRM.png

UIUC RoboMaster 校队仓库：Illini RoboMaster

我首先会写个入门篇，介绍一下STM32和RoboMaster（就是本片内容），然后进入进阶篇，详细说明STM32所有的外设，并给出代码和配置，最后在比赛篇带着各位逐行解析上面仓库里面的所有代码，并说明实际硬件的一些配置和使用事项，比赛篇我会从iRM_Embedded_2018开始讲起，本教程暂且不谈AI图像处理和机械设计，专注于STM32的入门事宜。

6.0 你所需要的知识储备

在阅读后面教程前，需要一定的基础和技能，如果在一下列表中有你不会或者没有达到要求标准的知识，请按照下文对应的链接来阅读对应资料的对应章节，并练习直至达到全部要求标准，请务必不要嫌麻烦。以下书籍作者皆研读过，所以不用担心浪费时间，勾画的都是必要内容。

  1. C语言基础（按照C Primer Plus的目录来，缺失的知识按照这本教材对应章节来学）
    • Getting Ready
    • Introducing C
    • Data and C
    • Character Strings and Formatted Input/Output
    • Operators, Expressions, and Statements
    • C Control Statements: Looping
    • C Control Statements: Branching and Jumps
    • Character Input/Output and Input Validation
    • Functions
    • Arrays and Pointers
    • Character Strings and String Functions
    • Storage Classes, Linkage, and Memory Management
    • File Input/Output
    • Structures and Other Data Forms
    • Bit Fiddling
    • The C Preprocessor and the C Library
    • Advanced Data Representation
  2. STM32基础背景知识（按照Mastering STM32的Introduction章节的目录来，缺失的知识按照这本教材对应章节来学）
    • Introduction to STM32 MCU Portfolio
    • Setting-Up the Tool-Chain
    • Hello, Nucleo!
    • STM32CubeMX Tool
    • Introduction to Debugging
  3. 计算机工程基础（选修，可以不会，最好会，有了计算机硬件基础，理解STM32起来会快很多，但是我觉得不会有多少人能沉下心来钻研这部分（笑:-D））（按照*Introduction to Computing Systems [Third Edition]*的目录来，缺失的知识按照这本教材对应章节来学）
    • Welcome Aboard
    • Bits, Data Types, and Operations
    • Digital Logic Structures
    • The von Neumann Model
    • The LC-3
    • Programming
    • Assembly Language
    • Data Structures
    • I/O
    • A Calculator
    • Introduction to C/C++ Programming
    • Variables and Operators
    • Control Structures
    • Functions
    • Testing and Debugging
    • Pointers and Arrays
    • Recursion
    • I/O in C
    • Dynamic Data Structures in C
    • Introduction to C++

7.0 你所需要的硬件

  • 方案1：

    TypeA.png

    • RoboMaster开发板A型 / B型 / C型
    • ST-Link V2 仿真&烧录器（各大电商均有售卖，我就不打广告写店名了）

  • 方案2：

    Nucleo.jpg

    • Nucleo开发板

    Nucleo是ST官方的板子，而且支持Arduino的扩展板，是Arduino的引脚排布，自带烧录器，不需要额外的仿真&烧录设备，适合想从Arduino平滑过渡到STM32的看官，但是如果要打RoboMaster比赛，请务必使用RoboMaster专用的开发板

8.0 你所需要的软件

  • Linux系统（虽然在MacOS和Win下面开发也没问题，但是直接在Linux下开发会方便很多，首推Deepin）
  • CLion（非常强大的C/C++ IDE，用起来很顺手）
  • STM Stlink Tools（烧录需要的软件）
  • GNU Arm Embedded Tool-chain（跨平台交叉编译需要的工具链）
  • STM32CubeMX（配置芯片引脚和外设，以及生成基本的控制框架）

关于如何配置开发环境，请善用（？）百度娘和谷歌姬，这部分因系统而异，因板子而异，甚至因人而异，所以作者便不再熬述～

9.0 后话

接下来我会写进阶篇 I，是关于基本的GPIO设置与代码，随后其他进阶篇很快就会出，将介绍各种外设和其使用方法，诸位将很快在教程的指引下完成你的第一个STM32程序，怎么样，想想是不是有些小激动呢？～～

10.0 UIUC Open Lab的冰山一脚（试图吸引点新人 😃 ）

RM01.jpg

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