2. Портфель STM32 и выбор камня

В портфеле STM32 больше двух тысяч микроконтроллеров в двух с лишним десятках подсемейств, если считать варианты корпусов: в подборе МК этого справочника (2.5) их 2187. Раздел о том, как в этом ориентироваться, как читать маркировку и почему для практики выбраны именно F103 и F4.

Как это называется в документации

Оригинал	Перевод
portfolio, series, line	портфель, серия, линия
part number	маркировка, заказной номер
package: LQFP, UFQFPN, BGA, WLCSP	корпус: с выводами по сторонам, безвыводной, с шариками, размером с кристалл
pin-to-pin compatible	совместимый по выводам
density: low, medium, high, XL	класс плотности — объём Flash у F1
device header	заголовок устройства (CMSIS)
MCU finder	подбор микроконтроллера
second source	замена у того же или другого поставщика

2.1 Четыре группы подсемейств

ST делит портфель не по номерам, а по назначению.

ST старается раскладывать выводы одинаково у камней разных серий в одном корпусе — это, пожалуй, главное практическое свойство портфеля. Начав разработку на F103RB в LQFP64, к концу проекта можно перейти на F401RE в том же корпусе, если не хватило производительности. Но плату под это готовят заранее: у F401 на выводе 30, где у F103 PB11, стоит VCAP_1 — ему нужен конденсатор на землю, а питание, BOOT0 и кварц сверяют по таблицам выводов (2.9). И корпус должен быть тот же: F103C8 с BluePill — в LQFP48, а 48-выводный F401 бывает только в UFQFPN48. Можно и наоборот — удешевить изделие, спустившись на F0.

⚠️ Совместимость по выводам не означает совместимости кода. Плата останется прежней, а прошивку придётся править: у разных подсемейств отличаются шины тактирования, регистры GPIO, контроллер DMA. Об этом — весь этот справочник.

2.2 Как читать маркировку

Разберём STM32F401RET6 — камень на плате Nucleo-F401RE:

STM32  F  401  R  E  T  6
  │    │   │   │  │  │  └── температурный диапазон
  │    │   │   │  │  └───── корпус
  │    │   │   │  └──────── объём Flash
  │    │   │   └─────────── число выводов
  │    │   └─────────────── подсемейство
  │    └─────────────────── тип
  └──────────────────────── платформа

Число выводов (позиция 4):

Объём Flash (позиция 5):

Корпус (позиция 6): T — LQFP, P — TSSOP, H — BGA, U — UFQFPN/VFQFPN, Y — WLCSP, J — UFBGA. Температура (позиция 7): 6 — −40…+85 °C, 7 — −40…+105 °C, 3 — −40…+125 °C.

Итого STM32F401RET6 — это F401, 64 вывода, 512 КБ Flash, корпус LQFP, до +85 °C. А STM32F103C8T6 с BluePill — F103, 48 выводов, 64 КБ Flash, LQFP, до +85 °C, STM32F030F4P6 — F030, 20 выводов, 16 КБ Flash, TSSOP, до +85 °C.

Подсказка от заголовков CMSIS. Имена файлов в пакете устройств подтверждают схему: stm32f412cx.h / f412rx.h / f412vx.h / f412zx.h различаются буквой числа выводов, а stm32f401xc.h / f401xe.h — буквой объёма Flash. Буква x стоит там, где признак не влияет на регистры. То есть по имени заголовка видно, что для F412 важно количество ног (разный набор портов), а для F401 — размер памяти.

2.3 Линейка STM32F4 подробно

F4 — самая распространённая серия на Cortex-M4F в группе High Performance и первая серия STM32 с DSP-командами и плавающей точкой. По выводам она совпадает с F2, но ядро и АЦП у неё быстрее, есть 64 КБ CCM-памяти, I²S принимает и передаёт одновременно (второй блок I2Sext), а у часов реального времени появились доли секунды (RTC_SSR) и тонкая подстройка хода (RTC_CALR). Год выхода — 2011.

Сводная таблица серии STM32F4

Общее для всех F4:

• ядро Cortex-M4F с ART Accelerator, наборы Thumb / Thumb-2 / насыщающая арифметика / DSP / FPU;
• генераторы: HSI 16 МГц, LSI 32 кГц, внешние HSE 4–26 МГц, LSE 32,768 кГц;
• режимы пониженного потребления: Sleep, Stop, Standby;
• питание 1,7–3,6 В, выводы, толерантные к 5 В, до 136 быстрых линий ввода-вывода;
• до 3 × 12-битных АЦП и до 2 × 12-битных ЦАП, датчик температуры;
• 16- и 32-битные таймеры, аппаратный CRC, два сторожевых таймера, RTC-календарь;
• 96-битный уникальный идентификатор кристалла, зашитый на заводе;
• корпуса: LQFP (64…208), UFQFPN 48, UFBGA (64…176), TFBGA 216, WLCSP (36…168).

Три линии внутри F4

Как выбирать внутри F4:

• нужен просто быстрый M4 с FPU и USB — F401 или F411;
• нужен Ethernet или CAN — F407 (он же стоит на Discovery, самая доступная плата);
• нужен графический дисплей — F429/F469 с контроллером TFT и Chrom-ART;
• нужен минимальный ток — F410;
• нужна внешняя память SDRAM — F427/F429, F469 или F446: их контроллер FMC умеет SDRAM, а FSMC у F405/F407 — только SRAM, NOR и NAND.

Что такое CCM и почему это важно

У F405/F407/F415/F417/F427/F429/F437/F439/F469/F479 есть 64 КБ CCM — Core Coupled Memory, память, подключённая к ядру напрямую, минуя матрицу шин. Доступ к ней всегда без задержек и без конкуренции с DMA.

⚠️ CCM недоступна для DMA. Это её обратная сторона: буфер, который вы отдаёте в DMA, в CCM размещать нельзя: DMA до неё не дотягивается, и поток выключится с ошибкой передачи (флаг TEIFx в LISR/HISR). Кто этот флаг не проверяет, видит одно — «передача не пошла». CCM хороша для стека, локальных переменных и вычислительных буферов, не для обмена с периферией.

2.4 Почему в справочнике именно F103 и F4

F103 остаётся отличной учебной платформой: периферии достаточно, документация разобрана до последнего бита, ошибиться дёшево. F4 нужен там, где F103 упирается — обработка сигналов, звук, графика, быстрый обмен, регуляторы с плавающей точкой.

2.5 Как выбирать микроконтроллер под задачу

Идеальный порядок: сначала оценить нужную вычислительную мощность, затем требования к связи, затем питание.

• вычисления, мультимедиа, графика → группа High Performance, то есть F4/F7/H7;
• Ethernet, CAN, много протоколов → F4 (или линия связи F105/F107);
• питание от батареи → серия L, подсемейство по нужной мощности;
• обычная задача без изысков → Mainstream, чаще всего F1 или G0.

Но в жизни решают другие вопросы:

1. Массовое изделие или штучное? В мелкой серии разница в цене камня несущественна — берите с запасом и не тратьте недели на оптимизацию. В массовом производстве экономия на кристалле окупает вложения в оптимизацию кода.
2. Каков бюджет всей платы? Следствие из первого пункта.
3. Ограничения по месту. Корпус диктует и число выводов, и возможности.
4. Что умеет ваше производство? LQFP паяется где угодно. BGA и WLCSP требуют рентгеновского контроля — это может закрыть вопрос выбора само по себе.
5. Критичен ли срок выхода? Если прошивка нужна вчера, берите камень с запасом мощности: оптимизировать будет некогда.
6. Можно ли переиспользовать наработки? Свои библиотеки и знакомые микросхемы экономят месяцы. Переход на другую архитектуру обнуляет этот задел.
7. А он вообще есть в продаже? Вопрос, ставший главным после дефицита полупроводников. сроки поставки доходили до двух лет, а дистрибьюторы вводили ограничения на число отладочных плат в одни руки. Доходило до того, что разработчики скупали Nucleo и Discovery, чтобы выпаивать из них микроконтроллеры под собственные изделия. Правило простое: сначала купите камни и положите на склад, потом открывайте IDE.
8. Надо ли беречь прошивку? Для коммерческого изделия это вопрос выбора камня, а не программы. У F1 защита чтения одна — включена или выключена (FLASH_ReadOutProtection(ENABLE), бит RDPRT), и этот уровень обходят известными приёмами через отладочный порт. У остальных семейств есть уровень 2 (OB_RDP_LEVEL_2): отладка отключается навсегда, и вернуть камень нельзя даже стиранием. Против лабораторных атак сбоем питания и он не абсолютен, поэтому там, где прошивка — главный актив, берут семейства с TrustZone и защищённой загрузкой: L5, U5, WBA, H5 (раздел 2б; у H5 вместо уровней — состояния изделия от OPEN до LOCKED). Довод в ту же сторону: клоны и перемаркировку делают в основном для старых массовых камней — F103, F030, F407 (раздел 2а); у свежих семейств таких случаев заметно меньше.

Помогают два инструмента ST — MCU Finder для настольных систем (уже встроен в STM32CubeIDE, отдельно ставить незачем) и мобильное приложение.

В этом справочнике такой отбор есть в калькуляторах: Инструменты → Подбор МК — 2187 вариантов STM32 из описаний пакетов Keil: ядро, FPU, TrustZone, частота, Flash, ОЗУ, число выводов, а у серий, где пакет её указывает, — периферия. Кристаллы можно сравнить бок о бок. Перед заказом — всё равно даташит: пакет перечисляет не всё (у U585, например, даташит даёт 786 КБ ОЗУ, а пакет — 768).

2.6 Отладочные платы

BluePill — STM32F103C8

Самая дешёвая плата для старта и самая распространённая среди любителей. Предпочтительна ревизия BluePill+ от WeAct на том же камне — у неё аккуратнее разведено питание и стоит разъём USB-C. Единственный светодиод на PC13 (включён катодом к выводу), кварц HSE 8 МГц, разъём SWD.

Читать карту так: цвет метки — тип вывода, справа от имени перечислены альтернативные функции. Красная пометка «3,3 В» означает, что вывод не терпит 5 В на входе — это все линии АЦП (PA0–PA7, PB0, PB1), выводы резервного домена PC13–PC15 и единственный такой в порту B — PB5.

Три вывода требуют отдельного внимания:

• PC13, PC14, PC15 питаются через ключ резервного домена. Суммарный ток через них — не больше 3 мА, скорость не выше 2 МГц, ёмкость нагрузки до 30 пФ. Источником тока их использовать нельзя, поэтому светодиод на плате и подключён катодом к PC13: вывод работает приёмником тока, а не источником.
• PA13, PA14 заняты отладочным интерфейсом SWD. Отдав их под GPIO, вы теряете отладку и прошивку по SWD, но не плату: при BOOT0 = 1 после сброса стартует загрузчик, выводы SWD свободны, и отладчик снова видит камень. Помогает и подключение отладчика с удержанием сброса.
• PA15, PB3, PB4 после сброса работают как выводы JTAG и подтянуты. Чтобы освободить их и оставить SWD, включают такт AFIO (RCC_APB2ENR_AFIOEN) и пишут в AFIO_MAPR поле SWJ_CFG = 010 (AFIO_MAPR_SWJ_CFG_JTAGDISABLE).

⚠️ На рынке много BluePill с перемаркированными или поддельными кристаллами: вместо STM32F103C8 ставят клоны CS32/CKS или камни с меньшей Flash. Признак — Keil или ST-Link видит не тот идентификатор устройства. На работу примеров это чаще всего не влияет, но знать полезно.

NR Blue Kit

Учебная плата на том же STM32F103 с готовой обвязкой: светодиоды, кнопки, дисплей, датчик температуры, потенциометры. Удобна тем, что примеры запускаются без макетирования и навесных проводов.

Nucleo — линейка ST

Плата Nucleo

Появились в 2015 году, три группы по типу корпуса камня: Nucleo-32 (LQFP-32), Nucleo-64 (LQFP-64), Nucleo-144 (LQFP-144). Линейка Nucleo-64 самая полная — обычно под словом «Nucleo» имеют в виду именно её.

Устройство платы:

• отделяемая часть с ST-LINK 2.1 — программатор и отладчик; её можно отломить по обозначенной линии и пользоваться как самостоятельным ST-Link (отдельно такой стоит около 25 долларов). Можно и не отламывать: сняв перемычки ST-LINK, вы получаете SWD-выход на внешнюю плату;
• виртуальный COM-порт через тот же USB — удобно для отладочного вывода;
• целевой микроконтроллер, кнопка RESET (чёрная), пользовательская кнопка (синяя), светодиод;
• кварц HSE на плате не распаян (место X3 пустое): 8 МГц приходят с микроконтроллера ST-LINK, с его выхода MCO, на вход OSC_IN — так у платы MB1136 с ревизии C-02 (кроме NUCLEO-L476RG). Поэтому HSE включают как внешний сигнал: сначала RCC_CR_HSEBYP, потом RCC_CR_HSEON (в CubeMX — «BYPASS Clock Source»); часовой кварц LSE на новых платах распаян;
• разъёмы Arduino — принимают готовые шилды;
• собственные разъёмы Morpho — два ряда 2×19 с шагом 2,54 мм, выводят все ноги.

Цена 10–15 долларов, и платы совместимы по разъёмам: шилд и проводку от Nucleo-F103RB можно пересадить на Nucleo-F401RE, если понадобилась мощность. Прошивку при этом пересобирают под новый камень, а регистровый код переписывают (2.9).

Discovery

Более полусотни разных плат под конкретные возможности камней. Для нашей темы главная — STM32F407G-DISC1 (в старых ревизиях STM32F4-Discovery): F407VG, акселерометр, микрофон, аудио-ЦАП, USB OTG, восемь светодиодов. Это самый доступный способ пощупать F4 всерьёз.

2.7 Программатор ST-Link

Годится любая версия: V2, V2.1, V3. Самый дешёвый вариант — «свисток» ST-Link V2 с AliExpress, его вполне достаточно. Если у вас есть Nucleo или Discovery, отдельный программатор не нужен — он уже на плате.

Кроме программатора для практики понадобятся:

• преобразователь USB–UART (для отладочного вывода);
• мультиметр;
• провода DuPont и кнопка.

Настройка ST-Link в Keil разобрана отдельно.

2.8 ⚠️ Тактовые константы: ловушка при переходе на F4

Практическая мина, на которой легко потерять вечер.

Это проект на одном CMSIS. В проекте с HAL обе константы задаёт stm32f4xx_hal_conf.h (у F1 — stm32f1xx_hal_conf.h), и CubeMX пишет туда частоту из дерева тактов: править её в CubeMX или определением в настройках проекта.

Два следствия:

1. Внутренний генератор у F4 вдвое быстрее. Все расчёты множителей PLL, перенесённые с F1 без правки, дадут вдвое завышенную частоту.
2. Значение внешнего кварца по умолчанию — 25 МГц, а на Discovery F407 распаян кварц 8 МГц. Если не переопределить HSE_VALUE, библиотека будет считать частоты, исходя из 25 МГц, — и HAL_Delay(1000) отмерит не секунду, а SystemCoreClock разойдётся с реальностью в три с лишним раза.

Лечится определением в настройках проекта:

-DHSE_VALUE=8000000

Обе константы объявлены через #if !defined(...), поэтому определение из проекта имеет приоритет и предупреждений не будет — молча возьмётся ваше значение. Именно поэтому ошибку так трудно заметить.

2.9 Замена камня: совместимость по выводам

Камень меняют по трём причинам: его нет на складе, его мощности не хватило или хочется удешевить изделие. Случаев замены два, и они совсем разные.

Внутри серии меняется только память. STM32F103C8T6 и STM32F103CBT6 — оба на 48 выводов в корпусе LQFP, Flash 64 и 128 КБ (2.2). Заголовок у них один: оба относятся к классу средней плотности STM32F10X_MD. Классы F1 по заголовку:

Прошивка переносится между камнями одного класса без правок, если помещается в память. Отсюда обычная стратегия: прототип на старшем камне, в серию — младший в том же корпусе, когда карта памяти покажет настоящий размер прошивки (раздел 11).

Между сериями совпадают выводы, но не код. ST раскладывает выводы так, что камни разных серий в одном корпусе встают на одну плату: питание, кварц и основные интерфейсы оказываются на тех же местах (2.1). Но внутри это другой камень:

Даже регистры с одинаковыми именами лежат по другим смещениям. Одна и та же строка компилируется в разные адреса:

GPIOA->BSRR = 1u << 5;           /* зажечь PA5 */

F103:  movw r0, #2064            F401:  movs r0, #24
       movt r0, #16385                  movt r0, #16386
       movs r1, #32                     movs r1, #32
       str  r1, [r0]    ; 0x40010810    str  r1, [r0]    ; 0x40020018

Прошивку пересобирают под новый заголовок, а всё, что написано на регистрах, — порты, такты, таймеры — переписывают. HAL и LL эту работу сокращают, но не отменяют (5.6). Тактовые константы при этом тоже меняются (2.8).

Одинаковое число выводов — ещё не тот же корпус. На плате Black Pill стоит STM32F401CCU6 или STM32F411CEU6. Выводов у них столько же, 48, сколько у камня BluePill, но буква U означает корпус UFQFPN, а у STM32F103C8T6 буква T — LQFP. На плату BluePill такой камень не встанет: это замена платы, а не камня.

Как планировать замену:

• Кандидаты. CubeMX (и MCU Finder) по исходному камню показывает список замен с долей совместимости по периферии, памяти и выводам.
• Таблицы выводов. Их сверяют у обеих микросхем: питание, вывод BOOT0, выводы стабилизатора ядра, кварц. «Почти совместимо» чаще всего ломается именно там.
• Плата. Места под различия закладывают ещё при разводке.
• Прошивка. Настройку периферии держат в одном месте, чтобы при замене переписывать её, а не весь код.

2.10 Грабли

Взяли камень, совместимый по выводам, — плата та же, прошивка не работает. Совместимость выводов не означает совместимости кода: тактирование, GPIO и DMA у подсемейств разные (2.1).

DMA из буфера в CCM не идёт. CCM недоступна DMA, поток гаснет с флагом TEIFx — буферы обмена кладут в обычное ОЗУ (2.3).

Отладчик видит «не тот» идентификатор. На BluePill бывают клоны и перемаркированные кристаллы (2.6).

На F4 все частоты вдвое или втрое не те. HSI_VALUE по умолчанию 16 МГц, HSE_VALUE — 25 МГц, а на плате кварц 8 МГц; задать -DHSE_VALUE=8000000 в проекте (2.8).

2.11 Итоги

• Портфель — больше двух тысяч камней в двух с лишним десятках подсемейств, разложенных на четыре группы по назначению: Mainstream, High Performance, Ultra Low Power, Wireless.
• Маркировка читается позиционно: подсемейство, число выводов, Flash, корпус, температура. STM32F401RET6 = F401, 64 ноги, 512 КБ, LQFP, до +85 °C.
• Совместимость по выводам позволяет менять камень на поздней стадии, но код при этом придётся править.
• F4 — первая серия STM32 с FPU и DSP. Access (F401/F410/F411/F412/F413) — дешёвый вход, Foundation (F405/F407/F446) — рабочая середина с Ethernet и CAN, Advanced (F427/F429/F469) — графика, SDRAM, максимум памяти.
• CCM-память у старших F4 быстрая, но недоступна для DMA.
• В реальном выборе технические характеристики часто уступают наличию на складе, возможностям производства и переиспользуемому заделу.
• У F4 HSI = 16 МГц и HSE_VALUE по умолчанию 25 МГц — перепроверьте, прежде чем удивляться неверным задержкам.
• Замена камня бывает двух видов. Внутри серии меняется только память: C8 и CB — один класс MD. Между сериями совпадают выводы, но не код: у F401 порт на другом адресе, другие регистры и частоты. Одинаковое число выводов — ещё не тот же корпус.

Дальше: раздел 2а «Клоны и подделки STM32: как отличить» — что делать, если на плате написано STM32, а внутри может быть другой камень.