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微控制器原理與應用：基於STM32 ARM Cortex-M4F處理器

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作　　者╱

張國清、陳延華、柯松源、廖冠雄

出版社別╱

五南

出版日期╱

2022/09/25 (2版 1刷)

I S B N ╱

978-626-343-236-9

書　　號╱

5R27

頁　　數╱

424

開　　數╱

16K

定　　價╱

550 (特價 435)

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。

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。

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


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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）。