一、研究背景及意义
在嵌入式系统学习中，开发板起着重要的作用，是连接理论与实操的桥梁。但在学习中普遍存在学生只能在实验室才能使用嵌入式开发板，实践操作时间少等问题，故不便于学生课下自学，也很大地影响了学生的学习效率。为改善这一现状，设计了用于嵌入式实验的开发板，方便学生课后实验和实践环节使用。
本开发板采用意法半导体公司的明星产品STM32F103系列中的最高配芯片STM32F103ZET6作为核心芯片，该芯片集成了32位的ARM Cortex-M3内核。ARM Cortex-M3是基于ARMv7-M体系结构标准的32位处理器，Cortex-M3的优点有低功耗、短中断延迟、低调试成本等。它的实现为自动控制系统、汽车控制系统和无线网络等对成本和功耗敏感的嵌入式领域的设计提供了便捷，并且很大程度上提高了编程的可操作性，集低成本、低功耗、高性能于一体。Cortex-M3处理器在结构上包括处理器内核、嵌套向量中断控制器、存储器保护部件和跟踪调试部件等。Cortex-M3采用了Tail-Chaining中断技术，完全基于硬件进行中断处理，在实际应用中可减少70%中断，代码容量降低45%，所需内存容量降低一半，大大拓宽了仪器的功能和监测范围。同时Cortex-M3处理器使用了ARM v7-M体系结构，是一个可综合的、高度可配置的处理器，包含一个高效的哈佛结构三级流水线，可提供1.25DMIPS/MHz的运算性能，在一个具有32个物理中断的标准处理器上实现，达到了突出的0.06mW/MHz效能比。不同于传统单片机开发，ARM仿真器价格动辄几千上万元，Cortex-M3采用了新型调试技术，节约了大笔的调试工具费用。同时，还集成了大部分存储器控制器，可以直接在MCU外连接Flash，降低了设计难度和应用障碍。并且大大简化了可编程的复杂性，它是为功耗和价格敏感的应用领域而专门设计的，应用领域可从低端微控制器到复杂SoC。目前低端32位Cortex-M3的成本与主流8位单片机相差无几，但性能却高出了许多。
基于ARM嵌入式处理器的片上系统解决方案可应用于企业应用、汽车系统和无线技术等市场领域。ARM Cortex系列可以满足以上各种应用的不同性能要求，该体系结构中的处理器基于ARMv7架构，包含三个分工明确的部分，分别是A部分、R部分及M部分。A部分针对复杂的尖端应用程序；R部分针对实时系统；M部分用来优化成本控制和微控制器。Cortex-M3是首款基于ARMv7-M架构的处理器，专门为了在工业控制系统，微控制器，汽车车身系统和无线网络等对成本以及功耗敏感而又对性能要求较高的领域而设计的，它在很大程度上降低了可编程的复杂性，使ARM架构成为各种应用方案的上佳选择。
Cortex-M系列处理器在国内得到了较为广泛的发展。随着改革开放的时代浪潮，国内IT产业发展迅猛，社会飞速进入信息化时代，市场对单片机机器产品的需求呈爆炸性增长。这些产品主要包括电子身份验证系统、考勤系统、自动化工业控制系统等。这些系统遍布于生产生活中的方方面面，涉及到大量数据处理和网络通信。最早引进国内的单片机以8051和avr单片机为代表，这些低端微控制器成为为数不多的两种数据解决方案。它们的功能较少，性能有限且开发起来有诸多不便，不能支撑很多外围设备，能够进行的数据运算也比较简单。所以使用此类单片机的电子产品功能都比较简陋，能完成的工作非常单一。随着时代发展，微电子技术日趋成熟，生产出的集成电路的集成度也越来越高，单位面积内的电路数量也成几何级数的猛增。之后市场上出现了增强型8051控制器。因为基于统一架构，它们与传统型8051控制器在软件上完全兼容，但拥有更强的功能，如AD/DA、看门狗、电源管理、时钟管理、可编程多功能I/0口。他们在单片机市场上迅速蚕食掉传统型8051和avr单片机的市场，比较有代表性的制造商有台湾的STC公司和美国的TI公司等。但随着国内互联网的飞速发展，8051系列单片机的性能渐渐不能满足市场需求，因为它们都是基于冯-诺依曼架构的产品，都是基于8位的数据总线和寄存器的，且不具备流水线架构，性能受到严重制约。这是，ARM公司具有前瞻性的策略使Cortex-M系列处理器有了长足的发展。先进的体系结构是的Cortex-M系列处理器在成本接近的条件下性能远远超越增强型8021器件。32位的数据通路使单位时间内的数据处理成倍增长；RISC架构与多级流水线技术使得指令平均执行时间大大减少，Cortex-M系列已大放光彩。
单片机从最早的70年代诞生以来，有了长足的发展，经历了3个阶段，分别是SCM、MCU、SoC。每个阶段都是单片机性能与功能的飞跃。这些阶段直接反映出电子技术的革新。鉴于以上课题背景和应用现状，本论文旨在设计一款基于STM32F103的ARM Cortex-M3开发板，在有限的条件下尽可能提高存储器和外设等资源的利用率，达到理想的学习效果。M系列主要面对单片机领域，可以说是51单片机的完美替代品。随着计算机接口和外围设备的日趋多样化，处理器和外围设备所组成的系统也越来越强大而复杂。为了满足各种不同接口的需求，嵌入式微处理器的针脚通常具有很高的复用性，极大提高了嵌入式系统设计的灵活性。考虑到各类外设的常用性和可开发性，本项目计划制作以ARM Cortex-M3为核心，集OLED显示屏、LED、按键、数码管、蜂鸣器等功能于一体的嵌入式开发板，可以满足在校学生和电子爱好者的学习和实践需求，具有极强的实用价值。
二、国内外研究概况
近年来，嵌入式系统大规模应用在各种领域中。早期的8051单片机率先将中央处理器、存储器、输入输出扣等多种电路集成到一个芯片上，而后越来越多芯片厂商开发出各种各样的微处理器。微处理器的发展也影响着嵌入式系统的发展，到现在4位微处理器基本已经退出历史舞台，8位微处理器的应用领域也已经很小，32位微处理器的时代已经到来。32位微处理器性能卓越、功能完善、资源丰富，但相应地掌握难度也有所增加，所以在嵌入式系统学习过程中需要更多的实操来熟悉微处理器的功能。
2.1 国内研究概况
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