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RS-485

2017-06-27T16:26:45Z

193.158.31.107: /* Weblinks */ ergänzt

== Einleitung ==

[[Datei:RS485.svg|thumb|right|Transceiver ADM483E: Links ist CMOS/TTL-Logik, rechts die RS485-Leitung.]]
Der RS485-Standard ist eine physikalische Spezifikation einer Reihe bidirektionaler Verbindungen über ein differentielles Leitungspaar, die von mehreren Protokollen benutzt wird. Die Leitung wird idealerweise als twisted Pair mit 120Ω [[Wellenwiderstand]] ausgeführt. Es können zwei oder mehrere Teilnehmer angeschlossen sein. Der Leitungsaufbau erfolgt immer als eine Linie und niemals als Stern mit etwaigen Stichleitungen. Die Leitung ist idealerweise an beiden Enden terminiert, was für höhere Übertragungsgeschwindigkeiten sowie größere Distanzen zwingend erforderlich ist. Bei sehr kurzen Leitungen oder niedrigen Ü-Geschwindigkeiten ist dies nicht unbedingt der Fall, siehe Artikel [[Wellenwiderstand]]. Das physikalische Interface in Mikrocontrollern und CHIP-basierten Anwendungen ist meistens ein vollständiger RS485 Transceiver, der einen Sender sowie einen Empfaenger beinhaltet und das logische Protokoll realisiert. Bei FPGAs und schnellen Microcontrollern reicht ein RS-485 Buffer.

Da nicht mehrere Sender gleichzeitig auf die Leitung aufgeschaltet sein dürfen, muss der jeweilige Sender nach Bedarf eingeschaltet werden ([http://de.wikipedia.org/wiki/Duplex_%28Nachrichtentechnik%29 Halbduplex]). Dies wird auf Protokollebene definiert. Der Sender steuert das differentielle Leitungspaar voll aus, d.h. geht unbelastet auf 0V/Vcc, wobei es 3.3V, sowie 5V Bausteine gibt. Unter Last nimmt die Amplitude dann ab. Der Empfänger braucht minimal 70mV Differenzspannung in einem Gleichtaktbereich von -7...+12V. Es gibt auch Bausteine mit höheren Gleichtaktspannungen.

Während der Standard von bis zu 32 Bausteinen pro Leitung ausgeht, sind Viertel- und Achtelpower-Bausteine erhältlich, wovon dann 128 bzw. 256 Stück an eine Leitung angeschlossen werden können. Die Geschwindigkeit und die Reichweite sind nicht im Standard definiert.

Bisher sind alle Transceiver pinkompatibel.

== Meist genutzte RS485-Bausteine ==
* [//www.mikrocontroller.net/part/SN75176 SN75176], günstig und leicht zu beschaffen, aber ein Stromfresser (28-50mA!)
* [//www.mikrocontroller.net/part/LTC485 LTC485]
* [//www.mikrocontroller.net/part/MAX485 MAX485] Moderne CMOS-Variante mit weniger als 1mA Eigenverbrauch
* [//www.mikrocontroller.net/part/ADM485 ADM485]
* [//www.mikrocontroller.net/part/ADM483 ADM483] von Analog Devics, 250kBit, supply 350uA plus load, SO8, 1.14$@100
* [//www.mikrocontroller.net/part/SN65HVD11 SN65HVD11D] von Texas, für 3V3 Schaltungen, recht billig (der [//www.mikrocontroller.net/part/SN65HVD75 SN65HVD75D] arbeitet auch mit 3V3, hat zusätzlich ESD Protection und kostet derzeit bei Farnell nur 2,15€ also etwa einen Euro billiger als der SN65HVD11D)
* ISL83483 von Intersil, 3,3 V, recht günstig, inkl. Failsafewiderständen

== Speziellere Ausführungen ==

* SN65HVD23D von TI, extended common mode -20 to +25V, 25MBit @160m, 64nodes, supply 7mA plus load, SO8, 4.05$@1
* SN65HVD24D von TI, extended common mode -20 to +25V, 3MBit @500m, 256 nodes, supply 10mA plus load, SO8, 4.05$ @1

== Weitere Hinweise ==

[[bild:rs485_term.png | framed | RS485 Terminierung mit Pull-Up/Down Widerständen]]

* Failsafe - was passiert auf dem Bus, wenn kein Sender aktiv ist? Dann muss man mittels Pull-Up- und Pull-Down-Widerstand für definierte Pegel sorgen. Das ist vor allem dann nötig, wenn man mittels [[UART]] Daten überträgt, was bei 90% der RS485 Anwendungen der Fall ist. Arbeitet man mit Terminierung, so werden klassisch die Werte wie im nebenstehenden Bild verwendet. Ohne Terminierung entfällt R2 und R1=R3=1kΩ. Diese Terminierung gibt es nur einmal auf dem Bus, nicht an jedem Teilnehmer!
* Verlustleistung - die Terminierung (100..120Ω) verbraucht einiges an Strom, den man mit einem 0,1µF in Serie unterdrücken kann (AC-Terminierung, siehe Artikel [[Wellenwiderstand]]).
* [[Galvanische Trennung]] - speziell bei ausgedehnten Systemen können die -7...+12V Gleichtaktbereich nicht genügen, speziell in einem industriellen Umfeld nicht. Dann sollte man eine galvanische Trennung einführen.
* Die Masse als Referenz sollte man IMMER im Kabel mitführen, auch wenn es scheinbar oft auch ohne funktioniert.
** [http://www.mikrocontroller.net/topic/306725#new Forumsbeitrag]: Kein GND auf RS485

== Weblinks ==

* [http://www.awavo.com/com-port-monitor/ RS485 Monitor]
* [http://de.wikipedia.org/wiki/RS485 RS485 auf Wikipedia]
* Slla036b (TI) Interface Circuits for TIA/EIA-485 (RS-485)
* Slla70c (TI) 422 and 485 Standards Overview and System Configurations
* Slla169 (TI) Use receiver equalization to extend RS485 data communication
* [http://www.ti.com/lit/an/snla049b/snla049b.pdf Ten Ways to Bulletproof RS-485 Interfaces], AN-1057 (National)
* [http://focus.ti.com/lit/an/slyt324/slyt324.pdf RS-485: Passive failsafe for an idle bus], Application Note slyt324 von TI
* [http://pdfserv.maxim-ic.com/en/an/AN1090.pdf Methods for Trimming the Power Required in RS-485 Systems], Application Note 1090 von Maxim
* [http://www.youtube.com/watch?v=iH2UdrRyz7U Video-Anleitung RS485 Konverter Verkabelung]

[[Category:Datenübertragung]]

FET

2015-01-07T12:12:29Z

193.158.31.107:

Dieser Artikel versteht sich als Unterpunkt zum Artikel [[Leistungselektronik]]

Ein FET (engl. '''F'''ield '''E'''ffect '''T'''ransistor) ist ein Feldeffekttransistor. Der FET ist ein Bauelement, das im Gegensatz zum Bipolartransistor (engl. '''B'''ipolar '''J'''unction '''T'''ransistor, BJT) mit Spannung und nicht mit Strom gesteuert wird. Unterschieden werden
* MOSFET = engl. '''M'''etall '''O'''xide '''S'''emiconductor '''F'''ield '''E'''ffect '''T'''ransistor; Metalloxidschicht-FET, größte Teilgruppe der FETs mit isoliertem Gate
* JFET = engl. '''J'''unction '''F'''ield '''E'''ffect '''T'''ransistor, Übergangszonen FET, der steuerbare Kanal wird durch einen PN-Übergang wie in einer Diode gebildet

Die drei Anschlüsse eines FETs werden ''Gate'', ''Drain'' und ''Source'' genannt. Unter Umständen ist ein vierter Anschluß vorhanden, der ''Bulk'' genannt wird. Normalerweise ist Bulk intern mit Source verbunden. Wenn dies nicht der Fall ist, muss diese Verbindung durch den Designer in der Schaltung hergestellt werden.

== FET-Typen ==

FETs werden hauptsächlich unterschieden in N-Kanal und P-Kanal, sowie "selbst sperrend = Anreicherungstyp" (engl. enhancement type) und "selbst leitend = Verarmungstyp" (engl. depletion type). Beim selbstleitenden FET ist der Transistor bei 0V Gate-Source Spannung maximal leitend (durchgesteuert) und wird durch Anlegen einer Spannung ans Gate gesperrt. Beim selbstsperrenden FET (größte Gruppe) ist der Transistor bei 0V Gate-Source Spannung gesperrt und wird durch Anlegen einer Spannung ans Gate leitend. Ist die Linie zwischen Drain und Source durchgezogen handelt es sich um einen selbstleitenden, bei einer gestrichelten Linie um einen selbstsperrenden FET. JFETs gibt es nur als Verarmungstyp. Im weiteren Artikel wird nur mehr der "selbstsperrende" MOSFET betrachtet.

{| class="wikitable"
|+ '''Typen von Feldeffekttransistoren  '''
|-
! Typ || N-Kanal || P-Kanal
|- valign="top"
| JFET || [[bild:JFET-N.png|center]]
* drittgrößte Gruppe
* bislang nur für kleine Leistungen verfügbar
* JFETs mit hoher Leistung sind im Kommen
* Eingangsstufen von OPVs
* Eingangsstufen von HF-Verstärkern bis in den GHz-Bereich
* als einfache [[Konstantstromquelle]] geeignet
| [[bild:JFET-P.png|center]]
* selten
|- valign="top"
| MOSFET Anreicherungstyp (selbst sperrend) || [[bild:MOS-EN.png|center]]
* größte Gruppe
* sehr viele Typen erhältlich
| [[bild:MOS-EP.png|center]]
* zweitgrößte Gruppe
* bei gleicher Geometrie etwas schlechter als ein N-Kanal Typ
|- valign="top"
| MOSFET Verarmungstyp (selbst leitend) || [[bild:MOS-DN.png|center]]
* selten
| [[bild:MOS-DP.png|center]]
* sehr selten
|}

=== Vorteile des FET ===

* Niedrigere Verluste als bei Bipolartransistoren.
* Sehr schnelles Schalten möglich, daher für sehr hohe Frequenzen geeignet (keine Speicherzeit wie beim BJT).
* Einfaches Parallelschalten im Schaltbetrieb, da Unterschiede im <math>R_{DS,on}</math> durch den positiven Temperaturkoeffizienten ausgeglichen werden.
* Leistungslose Ansteuerung im statischen Fall, jedoch hohe Umladeverluste am Gate!
* oft preiswerter als vergleichbare Bipolartransistoren (engl. '''B'''ipolar '''J'''unction '''T'''ransistor, BJT)
* Relativ unempfindlich gegen Überspannung zwischen Drain und Source. Bei Überschreitung der Maximalspannung zwischen Drain und Source findet ein sogenannter "Durchbruch" statt. Dies ist vergleichbar mit dem Zener-Effekt. Ist die Energiemenge begrenzt, ist dieser Durchbruch reversibel und der FET wird NICHT zerstört, im Gegensatz zum BJT.

=== Nachteile des FET ===

* Nur bedingt für hohe Spannungen [[Transistor#Wann setzt man einen MOSFET, Bipolartransistor, IGBT oder Thyristor ein ? |geeignet]], die ON-Verluste sind ab ca. 250V höher als bei einem [[IGBT]].
* Parasitäre Diode parallel zur Drain-Source Strecke ist immer enthalten, das (Ab-)Schaltverhalten dieser Dioden ist meist schlechter als separate Dioden, was häufig zu unerwünschten Schwingungen führt.
* Empfindlicher gegen ESD am Gate als BJT
* Positiver Temperaturkoeffizient (TK), der <math>R_{DS,on}</math> ist stark temperaturabhängig und steigt von 25°C (Datenblattangabe) auf 150°C ungefähr um den Faktor 2. Dadurch steigen auch die Verluste und damit die Erwärmung des Bauteiles.

=== Erklärung der wichtigsten Datenblattwerte ===

{| class="wikitable"
|-
! '''Parameter''' || '''Symbol''' || '''Wert''' (Beispiel)|| '''Erklärung'''
|-
| Drain Source (Breakdown) Voltage || V(BR)_DSS oder V_DS || 75V || Maximale Spannungsfestigkeit des Bauteiles zwischen Drain und Source
|-
| Continuous Drain current || I_D(on) || 55A @125°C || Maximaler Dauerstrom bei 125°C Gehäusetemperatur
|-
| Pulsed Drain Current || ID_pulse oder I_CD(on) || 240A || Maximaler Pulsstrom (Achtung die zulässige Zeitdauer des Pulses kann nur über die maximale Junctiontemperatur ermittelt werden)
|-
| Repetetive Avalanche Energy || t_sc || 280mJ || Maximale Energie, welche beim Avalanche Durchbruch bei Überschreiten der maximalen Drain-Source Spannung im MOSFET bei z. B. 1% Puls/Pausen Verhältnis regelmäßig auftreten darf, ohne den FET zu schädigen
|-
| Drain-Source ON Resistance || R_DS_ON || 0,01Ω || Widerstand des eingeschalteten FETs bei '''25°C''', V_GS = 10V und ID = 30A
|-
| Drain-Source ON Resistance || R_DS_on || 0,021Ω || Widerstand des eingeschalteten FETs bei '''175°C''', V_GS = 10V und ID = 30A
|-
| Thermal Resistance (junction-case) || R_th_JC || 0,8K/W || Thermischer Widerstand im Transistor vom eigentlichen Chip im Inneren (junction) bis zur Rückseite des Transistorgehäuses (case)
|-
| Gate-Source Threshold Voltage || V_GS(th) || 2,0-4,5V || Gatespannung, ab welcher der Transistor minimal leitend wird (I_D typisch 100-200µA), große Toleranz, typisch 1:2 zwischen Minimum und Maximum
|-
| Turn-on Delay || t_d(on) || 40ns || Verzögerung zwischen dem Einschalten am Gate bis zur Reaktion im Drainstrom
|-
| Rise Time || t_r || 200ns || Anstiegszeit des Transistorstromes am Drain
|-
| Turn-off Delay || t_d(off) || 120ns || Verzögerung zwischen Abschalten am Gate bis zur Reaktion im Drainstrom
|-
| Fall Time || t_f || 60ns || Abfallzeit des Transistorstromes am Drain
|}

Die oben genannten Zeiten gelten ausschließlich unter den angegebenen Messbedingungen (Gatewiderstand, Treiberspannung, sowie einer '''FET-Teperatur von 25°C!''') und müssen für die eigene Anwendung ggf. neu berechnet werden. Meist wird man sie eher messen, weil die Rechung zu aufwändig und bisweilen unmöglich ist.

Gerade bei der '''Gate-Source Threshold Voltage <math>V_{GS}(th)</math>''' gibt es hier immer wieder Verwirrung. Sie gibt an, ab welcher Spannung der MOSFET anfängt, leitfähig zu werden.
Diese Spannung ist technologisch bedingt auch heute noch einer starken Toleranz unterworfen, typisch 1:2 zwischen Minimum und Maximum. Im praktischen Betrieb muss man mindestens das Doppelte anlegen, um den MOSFET voll aufzusteuern. Genauere Werte findet man in jedem Datenblatt, meist in einer Kurve dargestellt.
Als Standardwerte kann man typisch 10-15V für einen Standardtypen und ca. 3-5V für einen Logic Level Mosfet ansetzen.
Deshalb braucht man bei 5V Ansteuerung einen Typen, der '''sicher''' bei typ. 4,5V voll durchgesteuert ist, z.B. IRLZ34N. Bei 3,3V ist er bereits nicht mehr zuverlässig nutzbar. Es gibt auch Typen mit noch geringerer Spannung für Vollaussteuerung. Wer einen BUZ11 (MAX <math>V_{GS}(th)</math> 4V) mit 5V ansteuert riskiert ein Abfackeln des MOSFETs, denn je nach Toleranz kann er bereit ganz gut aufgesteuert sein oder auch nicht.

{| class="wikitable"
|+ ''' Parasitäre Diode des FETs '''
|-
! '''Parameter''' || '''Symbol''' || '''Value''' (Beispiel)|| '''Erklärung'''
|-
| Continuous Current (Diode) || I_S || 75A || Maximaler Dauerstrom der parasitären Diode, meist identisch zum maximalen Dauerstrom des MOSFETs
|-
| Forward Voltage (Diode)|| V_SD || 1,0..1,3V || Spannungsfall an der parasitären Diode
|-
| Reverse Recovery Time || t_rr || 80..120ns || Zeit, die die Elektronen brauchen um aus der leitenden Diode vollständig abzufließen. Während dieser Zeit fließt der Strom in '''Rückwärtsrichtung''' durch die Diode.
|-
| Reverse Recovery Charge || Q_rr || 60nC || Ladungsmenge, die während t_rr rückwärts durch die Diode fließt.
|}

== Haupttypen und Gatespannungslevel ==

===Unterschied N-Kanal / P-Kanal FET===

Im Schaltsymbol werden die MOSFET-Typen meist durch die Pfeilrichtung in der Mitte des Symbols (eigentlich "Bulk") vom oder zum Gate unterschieden. Zeigt der Pfeil zum Gate hin, handelt es sich um einen N-Kanal-FET, zeigt der Pfeil vom Gate weg um einen P-Kanal FET.

Der große Vorteil des N-Kanal FETs (Elektronenleitung) ist, daß er immer niederohmiger ist, als ein gleich großer P-Kanal FET (Löcherleitung). Daher sind P-Kanal Typen bei vergleichbaren Werten auch immer größer = teuerer da weniger Chips auf einem Wafer Platz haben.

Beim N-Kanal FET muss die Gatespannung positiv gegenüber Source sein. Dabei wird der FET dann leitend, wenn die sogenannte "threshold voltage" (Schwellenspannung) erreicht wird. Eine typische Anwendung ist z. B. ein '''Low-Side Schalter''': Source an GND, Drain an die Last, Ansteuerung des N-Kanal FETs mit 12V gleichbedeutend mit 12V ÜBER den Source = GND Potential.

Beim P-Kanal FET als HS-Schalter muss die Gatespannung negativer=niedriger als das Sourcepotential sein.Beispiel.
Beispiel:
Lastspannung = 400V d.h. Source an 400V, Last zwischen Drain und GND, Ansteuerung des P-Kanal FETs mit 388V, also 12V UNTER dem Sourcepotential.

Beim N-Kanal FET als HS-Schalter muss die Gatespannung positver=höher als das Sourcepotential sein.
Beispiel:
Lastspannung = 400V d.h. Last an 400V, Drain an die Last, Source an GND, Ansteuerung des N-Kanal FETs mit 412V, also 12V ÜBER dem Sourcepotential.
In diesem Fall ist aber eine zusätzliche Spannungsquelle erforderlich, denn der FET wird mit einer Spannung über der Lastspannung eingeschaltet.

'''Weblinks'''
* [http://www.eetimes.com/General/DisplayPrintViewContent?contentItemId=4009943 A primer on high-side FET load switches (Part 1 of 2)], Qi Deng, Senior Product Marketing Manager, Mixed-Signal Products, Micrel, Inc., 5/3/2007 4:14 PM EDT, www.eetimes.com
* [http://www.eetimes.com/General/DisplayPrintViewContent?contentItemId=4009944 A primer on high-side FET load switches (Part 2 of 2)], Qi Deng, Senior Product Marketing Manager, Mixed-Signal Products. Micrel, Inc., 5/7/2007 1:36 PM EDT, www.eetimes.com
* [http://www.vishay.com/docs/70611/70611.pdf AN804 P-Channel MOSFETs, the Best Choice for High-Side Switching (PDF)] von Vishay Siliconix

===Unterschied Logic-Level / "Normal"-Level===

Den meisten FETs ist gemein, daß sie mit einer Spannung von 10..15V angesteuert werden müssen, um den minimalen Einschaltwiderstand zu erreichen. Diese FETs lassen sich nicht ohne weiteres mit einem CMOS-Pegel von 5V ansteuern. Es gibt jedoch für diesen Anwendungsfall sogenannte "Logic Level" (LL) FETs, die schon bei einer Gatespannung von etwa 4,5V voll durchgesteuert sind. Einige Kleinsignal-FETs sind schon ab ca. 1,2V voll durchgesteuert.

== Beispiel zur Bauteiledimensionierung ==

=== Spannungsfestigkeit ===

Die höchste vorkommende Betriebsspannung + Abschaltüberspannung soll kleiner als ca. 80% der Spannungsfestigkeit des Bauteiles sein.

Achtung: Zwischen dem je nach Anwendungsfall erforderlichen Pufferkondensator und dem FET wird es immer eine parasitäre Induktivität geben.
Abhängig von Schaltgeschwindigkeit und Induktivität wird im Schaltmoment eine mehr oder weniger große Übrspannungsspitze produziert. Dieser Peak
addiert sich auf die aktuelle Versorgungsspannung.

Überschlagsrechnung als Beispiel:
* Schaltgeschwindigkeit: dI/dt = -100A/µs (= Abschalten von 5A innerhalb 50ns),
* Induktivität: L = 1µH (~ 1 m loses, ungebündeltes Kabel)
* dU=-L*dI/dt = -1µH * (-100A / 1µs) = 100V

Dies bedeutet, daß an der "Induktivität" zwischen Transistor und Kondensator - Aufgrund von Selbstinduktion im Schaltmoment - ein Überspannungspuls von ca. 100V entsteht, der auf die Betriebsspannung aufzuschlagen ist, also lieber die Leitung kürzer machen, und - sofern möglich - nicht ganz so schnell schalten.

=== Stromtragfähigkeit ===

In jedem Datenblatt ist eine Stromtragfähigkeit bei 25°C, und meist noch bei einer höheren Temperatur z.B. 125°C, 150°C oder 175°C Kühlfahnentemperatur angegeben. Dieser Wert ist als ERSTE Entscheidungsgrundlage ausreichend, aber aus der theoretisch abführbaren Verlustleistung errechnet, und
* dient zum qualitativen Vergleich von Transistoren bezüglich ihres R_ds(on) und ihres Wärmewiderstands.
* ist für die Dimensionierung einer Schaltung nur als Richtwert zu interpretieren.
* ist ohne Schaltverluste genannt, und daher nur für einen Schaltbetrieb von wenigen Hz gültig. Außerdem wird ein annähernd idealer Kühlkörper unterstellt, der trotz der Verlustleistung das Gehäuse des Transistors auf der angegebenen Temperatur halten kann.
* entbindet einen nicht davon den Kopf einzuschalten... siehe die nachfolgenden Zeilen.
* Liegt der Strom für den die Schaltung entwickelt wird mit ca. 10..20% Abstand unter dem Datenblattwert von 125°C ist dieses Bauteil vermutlich verwendbar (siehe Detailberechnungen unten !).
* Ist der benötigte Strom im Bereich oder größer als der zulässige bei 125°C sollte entweder ein anderer Typ eingesetzt oder mehrere FETs ''des gleichen Typs'' parallelgeschaltet werden.

=== Verlustleistung ===

Hier wird eine Näherung für eine getaktete Anwendung betrachtet. In einem Transistor treten sowohl beim Ein- und Ausschalten, als auch während der Einschaltphase Verluste im Bauteil auf. Diese Verluste führen zu einer Bauteilerwärmung. Die dabei entstehende Temperatur darf die maximal zulässige Bauteiletemperatur nie überschreiten. Bei den ersten Projekten ist zu empfehlen eine berechnete Chiptemperatur von ca. 125°C nicht zu überschreiten. Fast alle aktuell verfügbaren FETs nennen im Datenblatt eine Temperatur von 175°C als ihre maximale Chiptemperatur.

{| class="wikitable"
|+ '''Beispiel'''
|-
! Parameter || Symbol ||Wert
|-
| Betriebsspannung || UN || 70 V
|-
| Nennstrom || IN || 30 A
|-
| Drain-Source Widerstand bei einer Chiptemperatur von 125°C und einer Gatespannung von 10V || RDSon || 17 mΩ
|-
| on-Zeit || ton || 150 µs
|-
| Schaltfrequenz || ƒschalt || 5 kHz, (T = 200µs)
|-
| Einschaltzeit (risetime) || tr || 500 ns
|-
| Ausschaltzeit (falltime) || tƒ || 800 ns
|-
|}

==== Leitend-Verluste ====

Während der FET bei [[PWM]]-Ansteuerung eingeschaltet ist, erzeugt er Verlustleistung.

<math>
P_\text{ON}
= I_\mathrm{N}^2 \cdot R_\mathrm{DS_\mathrm{ON}} \cdot \frac{t_\mathrm{ON}}{T}
= 30A^2 \cdot 17m\Omega \cdot \frac{150\mu s}{200\mu s} = 11{,}5W
</math>

==== Schalt-Verluste ====

Vereinfachter Ansatz.

Einschalten:

:<math>\begin{align}
P_\mathrm{SW_r}
&= \tfrac14 \cdot U_N \cdot I_N \cdot \frac{t_r}{T} \\
&= \tfrac14 \cdot 70V \cdot 30A \cdot \frac{500ns}{200\mu s}=1{,}3W
\end{align}</math>

Ausschalten:

:<math>\begin{align}
P_\mathrm{SW_f}
&=\tfrac14 \cdot U_N \cdot I_N \cdot \frac{t_f}{T}\\
&=\tfrac14 \cdot 70V \cdot 30A \cdot \frac{800ns}{200\mu s}=2{,}1W
\end{align}</math>

Alternativ und genauer kann man rechnen, wenn die Ein- Ausschaltenergie im Datenblatt angegeben ist. Aber Achtung! Die Randbedingungen unter denen die genannte Energie ermittelt wurde, müssen genau so zutreffen.
:<math>\begin{align}
P_{SW_f} = f_{schalt} \cdot E_{ON}
\end{align}</math>
:<math>\begin{align}
P_{SW_r} = f_{schalt} \cdot E_{OFF}
\end{align}</math>

Die Gesamtverlustleistung beträgt also in etwa 15W.

Damit muß ein entsprechender [[Kühlkörper]] ausgelegt und die Chiptemperatur berechnet werden. z. B.:
* Kühlkörper mit einem R_th von 0,2K/W
* max. Umgebungstemperatur +60°C
* R_th "junction-case" des FETs 0,8K/W
* R_th der Wärmeleitfolie zwischen FET und Kühlkörper ca. 2,0K/W
* R_th gesamt: 3,0K/W 
* Bei einer Verlustleistung von 18W und einer Umgebungstemperatur von 60°C hat der Chip eine Temperatur von ca. 18W * 3,0K/W +60°C = 114°C. ==> o.k.!

Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß hier viele Vereinfachungen vorgenommen, und die Art der Last nicht beachtet wurde ist es sinnvoll, einen gewissen Sicherheitsabstand zu den zulässigen Maximalwerten einzuhalten. Daher ist es empfehlenswert, die Chiptemperatur auf ca. 125°C zu beschränken.

Des Weiteren ist hier die parasitäre Diode im FET nicht berücksichtigt.
Wenn während der "off" Zeit ein Strom über die Diode fließt (Reverse recovery current oder Freilaufstrom), muß die dadurch '''zusätzlich''' entstehende Verlustleistung in die obige Berechnung der maximalen Chiptemperatur mit einfließen.

==Treiberleistung==

Auch wenn der MOSFET ein spannungsgesteuertes Bauelement ist, muss trotzdem bei jedem Einschalten und bei jedem Ausschalten die Gatekapazität umgeladen werden. Bei älteren Leistungs-FET - oder bei einem schlechten Design (!) - muss sogar teilweise mit negativer Spannung am Gate gearbeitet werden, um eine vollständige Sperrung zu erreichen.
Diese Umladung muss möglichst schnell erfolgen, um die Verluste im FET während der Umschaltphase zu minimieren. Dazu findet ein [[Mosfet-Übersicht#Mosfet-Treiber|Mosfet-Treiber]] Verwendung. Hier eine detaillierte Beschreibung zum [[Treiber]].

Da die Gatekapazität nicht direkt im Datenblatt enthalten ist kann man sich mit der Eingangskapazität Ciss behelfen. Im Arbeitspunkt ist die Gatekapazität ungefähr 5x größer als der im Datenblatt für Ciss angegebene Wert.
Daher berechnet sich die Treiberleistung wie folgt:

:<math>P_\text{Treiber} = C \cdot U^2 \cdot f = 5 \cdot C_\text{íss} \cdot U_\text{Gate}^2 \cdot f_\text{schalt}</math>

1.Beispiel, kleine MOSFET-Steuerung mit niedriger Leistung und Frequenz.

:<math>P_\text{treiber} = 5 \cdot 4{,}8\,\text{nF} \cdot 15\,\text{V}^2 \cdot 10\,\text{kHz} = 54\,\text{mW}</math>

2.Beispiel, sehr große MOSFET-Steuerung für Induktionsheizung mit sehr hoher Leistung und Frequenz.

:<math>P_\text{treiber} = 5 \cdot 24\,\text{nF} \cdot 15\,\text{V}^2 \cdot 250\,\text{kHz} = 6{,}75\,\text{W}</math>

Aber Achtung, so ein MOSFET-Treiber hat auch einen Eigenverbrauch, der leicht zwischen 0,5 und 1 W liegen kann.

Bei niedrigen PWM-Frequenzen kann man Logic Level MOSFETs auch direkt per CMOS-Ausgang ansteuern, z.B. mit einem [[AVR]], wie in diesem [http://www.mikrocontroller.net/topic/246449#2519459 Forumsbeitrag] zu sehen ist.

== Low- und High-Side ==

Definition LS- und HS:

;Low-Side Schalter: Der FET schaltet eine Last gegen GND - auch als LS-Schalter bezeichnet.
;High-Side Schalter: Der FET schaltet eine Last an die Versorgungsspannung – auch als HS-Schalter bezeichnet.

Anregungen oder Fragen auch gerne per Email an [http://www.mikrocontroller.net/user/show/powerfreak Powerfreak]. Dieser Artikel kann dadurch regelmäßig erweitert und ggf. durch ein FAQ ergänzt werden.

== SOA Diagramm ==

SOA-Diagramm (engl. '''S'''afe '''O'''perating '''A'''rea, sicherer Arbeitsbereich) beschreibt die zulässige Verlustleistung eines Transistors in Anhängigkeit des Drainstroms (I_D), der Drain-Source Spannung (U_DS) und der Pulsbreite. Als Beispiel sei hier der BUZ 11 genannt. Im nachfolgenden Diagramm ist das SOA-Diagramm dargestellt. Wie ist es zu verstehen? Zunächst gibt es eine Grenze auf der linken Seite, die schräge, dunkelblaue Line. Diese wird durch den minimalen R_DS_ON festgelegt, hier wirkt der MOSFET wie ein ohmscher Widerstand. Mehr Strom kann bei einer bestimmten Spannung nicht fließen. Die zweite Grenzlinie ist ganz rechts die pinkfarbene Linie, sie stellt die maximale Sperrspannung des MOSFET dar. Die dritte Grenze ist der maximal zulässige Drainstrom, hier im Beispiel 120A, dargestellt durch die gelbe Linie. Die maximale Spannung zwischen Drain und Source sowie der Drainstrom sind abhängig von der Pulsbreite, mit welcher der MOSFET betrieben wird. Bei nur 2,5µs Pulsbreite (Rechteckimpuls) müssen die beiden Parameter sich innerhalb der Fläche bewegen, welche durch die dunkelblaue, gelbe und die pinkfarbene Line begrenzt wird. Im Extremfall dürfen 50V anliegen und 120A fließen, das sind satte 6kW Pulsleistung! Werden die Pulse breiter, so sinken die zulässigen Ströme und Spannungen, bei 1ms (dunkelblaue Linie bis zur braunen Linie, dann zur pinkfarbenen Linie) sind maximal noch 50V und 7A zulässig, also nur noch 350W. Die letzte Linie stellt den Fall für Gleichstrom (engl. '''D'''irect '''C'''urrent), also Dauerbelastung dar, hier sind bei 50V maximal 1,5A zulässig, was einer Dauerverlustleistung von 75W entspricht. MOSFETs, welche nur für Schaltbetrieb und nicht für [[#Linearbetrieb von MOSFETs | Linearbetrieb]] geeignet sind, haben keine Kennlinie für DC. Im normalen Schaltbetrieb liegt der Arbeitspunkt auf der linken Grenzlinie R_DS_ON_MIN.

[[bild: SOA-BUZ11.png | thumb | 300px| SOA-Diagramm]]

Bei der Anwendung des Diagramms gilt es einiges zu beachten. Die Pulsleistungen sind nur zulässig, wenn der MOSFET vorher kalt ist, sprich ca. 25°C Sperrschichttemperatur hat. War er vorher schon heiß, reduziert sich die zulässige Belastung deutlich. Ebenso dürfen die Pulse nicht zu schnell wiederholt werden, denn dann ist der MOSFET noch vom vorherigen Puls aufgeheizt. Im Fall von DC sind 75W Verlustleistung auch eher ein theoretischer Wert, welcher real nur schwer erreicht werden kann, wenn der MOSFET auf einem sehr großen [[Kühlkörper]] optimal montiert ist. Praktisch liegen die erreichbaren Werte eher bei der Hälfte.

(Anm. Eigentlich müsste für die R_DS_ON Grenzlinie R = U / I der minimale R_DS_ON rauskommen, hier ~40mOhm, es kommen aber ~80mOhm raus. Die Ursache dafür ist unklar, möglicherweise liegt hier ein Sicherheitsfaktor zu grunde).

{{Clear}}

== Linearbetrieb von MOSFETs ==

Der Großteil der Anwendungen nutzt MOSFETs als Schalter, d.h. der MOSFET ist entweder voll gesperrt oder voll durchgesteuert. Dafür gelten auch all die Hinweise in diesem Artikel. In bestimmten Anwendungen werden MOSFETs aber auch im Linearbetrieb eingesetzt, z.B in linearen Endstufen für Audio, Video, elektronischen Lasten und Stromquellen. Hier muss man einiges beachten. Ein verbreiteter Irrtum besteht darin zu glauben, MOSFETs könne man im Linearbetrieb einfach parallel schalten, weil der positive Temperaturkoeffizient von <math>R_{DS(ON)}</math> eine Symmetrierung bewirkt, ähnlich den Emitterwiderständen bei parallelgeschalteten Bipolartransistoren. Das ist ''ausschließlich'' im Schaltbetrieb möglich, und daher falsch! Im Linearbetrieb spielt der Temperaturkoeffizient von <math>R_{DS(ON)}</math> keine Rolle, weil der MOSFET selten bis nie komplett durchgesteuert ist. Eben darum ist beim Linearbetrieb der minimale <math>R_{DS(ON)}</math> in den meisten Fällen unwichtig und man kann auch eher hochohmige, ältere MOSFETs verwenden, wie z.B. den BUZ11.

Hier wirkt vielmehr der negative Temperaturkoeffizient (TK) der Thresholdspannung <math>U_{GS(thr)}</math>, vergleichbar dem negativen TK der Basis-Emitter-Spannung von Bipolartransistoren. D.h. mit steigender Temperatur und konstanter Gate-Source-Spannung steigt der Stromfluss der Drain-Source Strecke. In einer Parallelschaltung von MOSFETs würde dies bedeuten, dass der MOSFET mit dem geringfügig größeren Drainstrom (Fertigungstoleranzen) wärmer wird, was zu einem weiter steigenden Drainstrom und damit noch mehr Wärme führt. Damit ist die Schaltung thermisch instabil und würde zum Durchbrennen der MOSFETs führen, einer nach dem Anderen.

Um das zu verhindern muss man relativ große Ausgleichswiderstände in die Source-Leitung der einzelnen MOSFETs schalten, um diese Drift zu kompensieren. Dadurch verschlechtert sich natürlich der Wirkungsgrad des Verstärkers. MOSFETs haben einen TK von typisch -5mV/K für <math>U_{GS(thr)}</math>, das ist mehr als das doppelte von Bipolartransistoren mit typisch -2mV/K, weshalb die Symmetrierungswiderstände mehr als doppelt so groß sein müssen. Weiterhin muss man beachten, dass die Toleranzen von <math>U_{GS(thr)}</math> sehr groß sind, im Bereich von Volt! Das kann man sinnvoll nicht mehr mit Gatewiderständen symmetrieren, hier muss man die MOSFETs ausmessen und Gruppen mit geringen Toleranzen in einer Schaltung verwenden (engl. matching).

Eine andere Möglichkeit ist die getrennte Ansteuerung der einzelnen MOSFETs, das wird oft in elektronischen Lasten bzw. [[Konstantstromquelle#Konstantstromquelle mit Operationsverstärker und Transistor | Konstantstromquellen]] gemacht. Hier treten keine zusätzlichen Verluste auf und der Mehraufwand in der Ansteuerung ist meist unkritisch.

Weiterhin muss man beachten, dass viele der heutigen HochleistungsMOSFETs intern eine Parallelschaltung vieler kleiner MOSFET-Zellen (z.B. sogenannte Trench-FET) sind, und somit oft für den Linearbetrieb ungeeignet sind. Denn auch dort können einzelne Zellen überhitzen und durchbrennen (Hot Spot). Ob ein MOSFET für den Linearbetrieb tauglich ist steht manchmal im Datenblatt, oft aber eher nicht, eben weil die meisten MOSFETs als Schalter entwickelt und gebaut sind. Typische Vertreter für Linearbetrieb findet man in der [[MOSFET-Übersicht]]. Ein wichtiges Indiz für Linearbetrieb ist eine Kurve für DC im [[#SOA_Diagramm | SOA-Diagramm]]. Meist geht es dort nur bis 10ms, DC fehlt, eben weil DC (engl. '''D'''irect '''C'''urrent = Gleichstrom = Linearbetrieb) nicht zulässig ist. Manchmal hat der Hersteller auch "vergessen", die Kennlinie für DC mit reinzuschreiben, wie z.B. bei [http://www.irf.com/product-info/hi-rel/alerts/fv5-p-09-01-A.pdf IRF], wie in diesem [http://www.mikrocontroller.net/topic/291760#3106758 Beitrag] zu erfahren ist.
Ein recht gutes Indiz dafür, ob ein FET für den Linearbetrieb taugt, ist die Vorwärtssteilheit. Diese kennzeichnet die Abhängigkeit des Drainstromes von der Ansteuerung am Gate als <math>S = \Delta i_d/\Delta u_{gs}</math>. Moderne Trench-FET erreichen heute Steilheiten im dreistelligen Bereich und sind für Linearanwendungen völlig unbrauchbar. Zum Vergleich: Der BUZ11 kommt mit gerade einmal 4 bis 5 Siemens daher.

In diesem Beitrag wird die DC-Linie im SOA-Diagramm noch genauer erklärt: [http://www.mikrocontroller.net/topic/319961#3473567 Re: MOSFET Linearbetrieb möglich?]

== Siehe auch ==

* [[Leistungselektronik]]
* [[Mosfet-Übersicht]]
* [[IGBT]]
* [[TRIAC]]
* [[Kühlkörper]]
* [[Zwischenkreiskapazität]]
* [[Treiber]]
* [[Snippets#Wie_schlie.C3.9Fe_ich_einen_MOSFET_an_einen_Mikrocontroller_an.3F|Wie schließe ich einen Mosfet an einen Mikrocontroller an?]]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/168218#1609684 Forumsbeitrag]: MOSFETs im Linearbetrieb
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/186785#new Forumsbeitrag]: nochmal MOSFETs im Linearbetrieb
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/319961#3473567 Forumsbeitrag]: sehr ausführlicher Forumsbeitrag über MOSFETs im Linearbetrieb. Berücksichtigt auch den Spirito-Effekt.
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/143324#new Forumsbeitrag]: Über eine elektronische Last, sehr lang
*[http://www.mikrocontroller.net/topic/246449#2519459 Forumsbeitrag]: Logic Level MOSFETs direkt mit einem [[AVR]] treiben.
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/267254#2787855 Forumsbeitrag]: MOSFETs im Linearbetrieb, Laborerfahrungen
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/267254#2787945 Forumsbeitrag]: MOSFETs für Linearbetrieb

== Weblinks ==

* [http://www.elektronikinfo.de/strom/feldeffekttransistoren.htm Feldeffekttransistoren bei elektronikinfo.de]
* [http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0207011.htm FET im ELKO]
* [http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0510161.htm MOSFET im ELKO]
* [http://www.sprut.de/electronic/switch/nkanal/nkanal.html MOSFET bei sprut.de]
* [http://sound.westhost.com/articles/hexfet.htm#51 MOSFETs in Audioendstufen, engl.]
* [http://irf.custhelp.com/cgi-bin/irf.cfg/php/enduser/std_adp.php?p_faqid=214&p_created=1019728945&p_sid=pt9ITiCj&p_accessibility=0&p_redirect=&p_lva=&p_sp=cF9zcmNoPTEmcF9zb3J0X2J5PSZwX2dyaWRzb3J0PSZwX3Jvd19jbnQ9MTQsMTQmcF9wcm9kcz0mcF9jYXRzPSZwX3B2PSZwX2N2PSZwX3BhZ2U9MSZwX3NlYXJjaF90ZXh0PWxpbmVhcg**&p_li=&p_topview=1 FAQ Answer ID 214 bei IRF zum Linearbetrieb]
* [http://www.nxp.com/documents/application_note/AN11158.pdf AN11158 - Understanding power MOSFET data sheet parameters] von NXP (PDF)

[[Category:Bauteile]] [[Kategorie:Leistungselektronik]]

STM32

2014-01-30T17:15:22Z

193.158.31.107: /* Link zum Insiders's Guide */

STM32 ist ein Mikrocontroller-Familie von [http://www.st.com/mcu/inchtml-pages-stm32.html ST] mit einer 32-Bit [http://www.arm.com/products/processors/cortex-m/index.php ARM Cortex-M0/M3/M4] CPU. Diese Architektur ist speziell für den Einsatz in Microcontrollern neu entwickelt und löst damit die bisherigen ARM7-basierten Controller weitestgehend ab. Den STM32 gibt es von ST in unzähligen Varianten mit variabler Peripherie und verschiedenen Gehäusegrößen und -formen. Durch die geringe Chipfläche des Cores ist es ST möglich, eine 32 Bit-CPU für weniger als 1 € anzubieten.

[[Bild:stm32F103xc.png|thumb|right|340px|Blockdiagramm STM32F103xC/D/E]]

== STM32-Familien ==

Bisher gibt es sieben STM32-Familien:
* [http://www.st.com/internet/mcu/subclass/1588.jsp STM32F0]
** Cortex M0
** Mikrocontroller zum Einstieg
** Bis 48MHz
* [http://www.st.com/internet/mcu/subclass/1169.jsp STM32F1]
** Cortex M3
** Bis 72MHz
**Verschiedene Unterfamilien:
*** Connectivity line
*** Performance line
*** USB Access line
*** Access Line
*** Value line
* [http://www.st.com/web/en/catalog/mmc/FM141/SC1169/SS1575 STM32F2]
** Cortex M3
** Bis 120MHz
** Wie die STM32F1 Serie, Camera-Interface, 32-Bit Timer, Crypto-Engine...
* [http://www.st.com/internet/mcu/subclass/1605.jsp STM32F3]
** Cortex M4F
** DSP und FPU
** Bis 72MHz
** Fast 12-bit 5 MSPS and precise 16-bit sigma-delta ADCs
** Touch sensing controller (TSC)
* [http://www.st.com/internet/mcu/subclass/1521.jsp STM32F4]
** Cortex M4F
** DSP und FPU
** Bis 180MHz
** Bis zu 2MB Flash
* [http://www.st.com/web/en/catalog/mmc/FM141/SC1169/SS1295 STM32L1]
** Cortex M3
** Low Power
** mit LCD Treiber
** Bis 32MHz
* [http://www.st.com/web/en/catalog/mmc/FM141/SC1169/SS1581 STM32W]
** Cortex M3
** BIS 24MHz
** RF-MCU
[http://www.st.com/internet/mcu/class/1734.jsp Hier eine Übersicht zum Auswählen eines STM32Fxxx]

===Features===
* Cortex-M0 / Cortex-M3 / Cortex-M4F Kern (mit FPU)
* 16KB ... 2MB [[Flash-ROM]]
* 4KB ... 256KB [[Speicher#SRAM|SRAM]]
* 4KB [[Speicher#EEPROM|EEPROM]] (STM32L)
* SDRAM-Controller bei den [http://www.st.com/web/en/catalog/mmc/FM141/SC1169/SS1577/LN1806 STM32F42xxx und STM32F43xxx], bis 512 MByte externer SDRAM addressierbar
* 512 one-time programmable Bytes(STM32F2/4)
* [[IC-Gehäuseformen | Gehäuse]] 20 ... 216 Pins als TSSOP, QFN, LQFP und BGA
* Derzeit sind über '''250''' [http://www.st.com/web/en/catalog/mmc/FM141/SC1169 STM32 Derivate/Varianten verfügbar]
* Bis 72MHz CPU-Takt, bis 120MHz beim STM32F2xx, bis 168/180 MHz beim STM32F4xx, wobei eine spezielle prefetch-hardware bis 120/168 MHz eine Geschwindigkeit erzielen soll, die 0 Wait-States entspricht. Der CPU-Takt wird über einen Multiplikator aus dem internen RC-Takt oder einem externen Quarz-Takt abgeleitet.
* Externes Businterface (nur bei Gehäusen ab 100 Pin und nur bei STM32F4, STM32F2 und STM32F1 Performance line)
* LCD Treiber für 8x40 Punkte (nicht beim STM32F2xx)
* TFT Treiber bei STM32F429 / STM32F439
* Spannungsbereich 1,65 ... 3,6V, nur eine Betriebsspannung nötig
* Temperaturbereich bis 125 °C
* Bis zu 140 IOs, viele davon [[Pegelwandler|5V-tolerant]]
* Interner, kalibrierter RC-Oszillator mit 8MHz (16MHz bei STM32F2/F4xx)
* Externer Quarz
* Real Time Clock mit eigenem Quarz und separater Stromversorgung
* Bis zu 16 [[Timer]], je Timer bis zu 4 IC/OC/PWM Ausgänge. Davon 2x Motion Control Timer (bei STM32F103xF/G), (bis zu 32 PWM Ausgänge)
* Systick Counter
* Bis zu 3 12-Bit [[AD-Wandler]] mit insgesamt 24 AD-Eingängen, integrierter [[Temperatursensor]], Referenzspannung Vrefint und VBatt Spannungsmessung (STM32F4xx)
* Bis zu 2 12-Bit [[DA-Wandler]] (bis zu 3 beim STM32F3xx)
* Bis zu 2 [[DMA]] Controller mit bis zu 12 Kanälen (16 beim STM32F2/4xx)
* Bis zu 2x [[I2C|I²C]]
* Bis zu 5x [[UART|USART]] mit LIN, IrDA und Modem Control (bis zu 8 beim STM32F2/F4xx)
* Bis zu 3x [[SPI]] (bis zu 6 beim STM32F4xx)
* Bis zu 2x [[I2S|I²S]]
* Bis zu 2x [[CAN#STMicroelectronics STM32 (Cortex M3/M4)|CAN]]
* Hardware [[CRC]] Unit, bei der STM32F3xx Serie mit einem einstellbaren Polynom
* Unique device ID register (96 Bits)
* RNG - Random Number Generator (STM32F2/4xx)
* Cryptographic Processor (CRYP) (STM32F2/4xx)
* Hash Processor (HASH) (STM32F2/4xx)
* Kamera-Interface (DCMI) (STM32F2/4xx)
* [[USB]] 2.0 Full Speed / OTG
* [[USB]] 2.0 Hi Speed OTG mit extra PHY-Chip (STM32F2/4xx)
* SDIO Interface (z.B. SD-Card Reader)
* Ethernet
* Watchdog mit Window-Mode
* Jedes Peripheriemodul ist separat einschaltbar, wodurch sich erheblich [[Ultra low power|Strom sparen]] lässt
* [[JTAG]] und SWD (Serial Wire Debug) Interface
* Bis zu 6 Hardware-Breakpoints für Debuggen
* und vieles mehr . . .

== Struktur der Dokumentation: ==
Die Dokumentation der STM32 ist zwar umfangreicher und komplexer z.B. die der [[AVR]], enthält aber dennoch alle nötigen Informationen. Sie teilt sich auf in mehrere Dokumente.
Als Beispiel der Dokumentation soll stellvertretend der [http://www.st.com/web/en/catalog/mmc/FM141/SC1169/SS1031/LN1565/PF164486 STM32F103RC] genannt werden. Die Seite von ST beinhaltet alle nötigen Informationen passend zu diesem Prozessor.

Diese Dokumente von ST beschreiben den Controller:

* Im [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00191185.pdf STM32F103xC/D/E Datasheet] sind die speziellen Eigenschaften einer bestimmten Modellreihe beschrieben und die exakten Daten und Pinouts aufgeführt, sowie die Zuordnung Chipname - Flash/RAM-Größe. Die Peripheriemodule werden nur aufgeführt, nicht detailliert beschrieben.
* Im [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/reference_manual/CD00171190.pdf Reference Manual (RM0008)] sind alle Peripheriemodule der jeweiligen STM32-Controllerfamilie im Detail beschrieben.
* Das [http://infocenter.arm.com/help/index.jsp?topic=/com.arm.doc.ddi0403c/index.html ARMv7M Architecture Reference Manual] beschreibt detailliert den Prozessorkern, wie das Exception Model, die CPU Instruktionen inklusive Encoding, etc.
* Das [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/programming_manual/CD00228163.pdf STM32 Cortex-M3 Programming Manual] ist eine Zusammenfassung des ARMv7M Architecture Reference Manual bezogen auf die STM32.
* Wer nicht die ST Firmware-Library verwendet, der benötigt zusätzlich das [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/programming_manual/CD00283419.pdf Flash Programming Manual] für die Betriebsart des Flash-ROMs, d.h. die frequenzabhängige Konfiguration der Waitstates.

Zusätzlich sollten auch die [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/errata_sheet/CD00197763.pdf Errata Sheets] beachtet werden. Empfohlen sei auch die Appnote "[http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/application_note/CD00164185.pdf AN2586 Getting started with STM32F10xxx hardware development]".
Die jeweiligen Dokumentations-PDFs sind auf der Produktseite von ST eines jeden Mikrocontrollers verlinkt.

== Hardware Zugriffs-Libraries ==
=== CMSIS ===

Die CMSIS (ARM® '''C'''ortex™ '''M'''icrocontroller '''S'''oftware '''I'''nterface '''S'''tandard) ist eine Library von ARM für den Zugriff auf die herstellerübergreifenden Funktionen des ARM-Cores. Hierzu gehört bei den Cortex-M4F-Cores auch die DSP und Floating-Point Funktionalität. Weiterhin existieren eine Zahl von Helferfunktionen für den NVIC, den Sys-Tick-Counter, sowie eine SystemInit-Funktion, welche sich um die PLL kümmert.

Im Rahmen des CMSIS-Standards ([http://www.onARM.com www.onARM.com]) wurden die Headerdateien standardisiert, der Zugriff auf die Register erfolgt per '''Peripheral->Register'''. Die CMSIS C-Dateien bzw. Header enthalten auch Anpassungen für die verschiedenen Compiler. Die Portierung eines Real-Time-Betriebsystems sollte unter Verwendung der CMSIS, für Chips der verschiedenen Hersteller, stark vereinfacht möglich sein (z.B. einheitliche Adressen für Core-Hardware/Sys-Tick-Counter).

Die CMSIS ist im Download der ‎STM32 Standard Peripheral Library enthalten. Die Compiler-Hersteller liefern eine jeweils zur ihrer Tool-Version passende bzw. geprüfte Library (incl. CMSIS) aus. Diese Libs können, gegenüber den Downloads beim Chip-Hersteller, auch ältere Version beinhalten.

=== ‎STM32 Standard Peripheral Library ===

ST bietet für jede Controller-Familie eine umfangreiche zur CMSIS passende Peripherie-Bibliothek. Alle Funktionen um die Peripherie zu benutzen sind gekapselt in einfache Strukturen und Funktionsaufrufe. Somit muss man sich nicht selbst um die Peripherie-Register kümmern. Diese Library und ihre Dokumentation setzen das grundlegende Verständnis der Funktion des jeweiligen Peripheriemoduls voraus, wie es die o.a. Referenz und diverse Appnotes vermitteln. Die Library beinhaltet außerdem für fast jede Peripherie mehrere Beispiele.
Für die USB Schnittstelle gibt es noch eine extra Library, genauso wie für Ethernet.

Auf der "Design Resources" Seite der Produktseite von ST eines jeden STM32 Mikrocontrollers kann die Library für den jeweiligen Controller heruntergeladen werden, z.B. [http://www.st.com/web/en/catalog/tools/PF257890 hier] für den o.g. STM32F103RC.

Library für STM32F4xx: [http://www.st.com/web/en/catalog/tools/PF257901# STSW-STM32065 STM32F4 DSP and standard peripherals library]

== Programmierung ==
Zur Programmierung der STM32 gibt es verschiedene Möglichkeiten, sowohl kommerzielle proprietäre als auch mit Freier Software.

Der GCC (in seinen verschiedenen Binärdistributionen) ist der einzige ARM Compiler der [http://de.wikipedia.org/wiki/C%2B%2B11 C++11] unterstützt.

=== Freie Software/Freeware ===
==== Selber zusammenstellen ====
Man nehme...:
* Eine Entwicklungsumgebung nach Wahl:
** [http://www.eclipse.org Eclipse] mit [http://www.eclipse.org/cdt/ C/C++ Development Tooling] und [http://gnuarmeclipse.livius.net/blog/ GNU ARM Plug-in] (Bei Verwendung vom GCC-ARM-Embedded als Toolchain "Sourcery G++ Lite" auswählen, dieser sieht für eclipse gleich aus) (Linux, Windows)
** [http://netbeans.org/ Netbeans] mit [http://plugins.netbeans.org/plugin/37426/gdbserver GDBserver-Plugin] (Linux, Windows)
** [http://www.kdevelop.org/ KDevelop] (Linux)
** [http://www.geany.org/ Geany] (Linux, Windows)
** Oder ein einfacher Texteditor
* Einen C,C++ Compiler:
** Eine der [[ARM_GCC#GCC_Bin.C3.A4rdistributionen|GCC-Binärdistributionen]], siehe auch [[#GCC|GCC]] (je nach Distribution Linux, Windows)
* Programmiersoftware zum Flashen des Target:
** [http://openocd.sourceforge.net/ OpenOCD] unterstützt viele Debug/Programmier-Adapter (Linux, Windows)
** [https://github.com/texane/stlink Texane stlink] funktioniert gut mit den ST-Link Adaptern wie sie zB. auf den STM32 Discovery Boards zu finden sind (Linux)
** Turtelizer2 oder andere JTAG Programmieradapter
** Bei Verwendung eines Segger J-Link, den [http://www.segger.com/admin/uploads/productDocs/UM08005_JLinkGDBServer.pdf Segger GDB-Server] in Verbindung mit dem beim GCC mitgelieferten GDB (Linux, Windows)

==== Komplette IDE's ====
* [http://www.codesourcery.com/sgpp/lite_edition.html Codesourcery Lite Edition]
* [http://www.coocox.org/ Coocox Eclipse IDE] kostenlose IDE für STM32F0 / F1 / F4 Hilfreiche Infos gibt es im [http://www.mikrocontroller.net/topic/214719?goto=new#2228482 hier] und [http://www.mikrocontroller.net/topic/214719?goto=new#2229943 hier] Forum, Artikel: [[STM32 CooCox Installation]]
* [http://emide.org/ emIDE] kostenlose IDE die mit dem Segger J-LINK funktioniert.
* [http://www.emblocks.org EmBlocks] kostenlose IDE, Code::Blocks basiert, unterstützt STM32 L1/F0/F1/F2/F3/F4/W, integrierter GDB Debugger, Jlink/ST-Link, System view (Peripherie Register anzeigen) beim Debuggen, Project Wizzard

=== Kommerzielle Umgebungen ===

* [http://www.keil.com/arm/mdk.asp Keil µVision] (Demo max. 32KB Code): Die sehr komfortable µVison IDE ist neben dem ARM Compiler per Menue auch für einen beliebigen GNU-Compiler konfigurierbar. Damit besteht das 32k-Limit nur noch für den integrierten Debugger / Simulator. µVison selbst kann kostenlos mit dem MDK-Evaluationkit heruntergeladen werden. [https://www.keil.com/arm/demo/eval/arm.htm#DOWNLOAD download]
* [http://www.iar.com/en/Products/IAR-Embedded-Workbench/ IAR-Embedded-Workbench] (Demo max. 32KB Code) [http://supp.iar.com/Download/SW/?item=EWARM-EVAL download]
* [http://www.isystem.com/products/itag winIDEAiTag] Keine Code Limitierung, GCC und Testwerkzeug beinhaltet. Läuft mit dem iTag Adapter.
* [http://www.raisonance.com Raisonance Ride7] (GCC Compiler, kostenlose Version auf Debugging von max. 32KB Code limitiert, keine Limitierung beim Complilieren)
* [http://www.atollic.com Atollic] (Lite Version (bis V2.3.0) ohne Code-Limit, auf GCC basierend. Die neueste Version ab V3 hat fast keine Beschränkungen mehr außer jetzt einen Code-Limit von 32kB. Außerdem werden jetzt die meisten ARM Familien unterstützt. )
* [http://www.rowley.co.uk/arm/ Rowley Crossworks] (Demo 30 Tage unbeschränkt, 150$ für nichtkommerzielle Nutzung, auf GCC basierend)
* [http://www.code-red-tech.com Code Red] (GCC basierend)
* [http://www.sisy.de/index.php?id=17&no_cache=1 SiSy ARM oder SiSy Micrcontroller++] (Demo verfügbar keine Gößenbegrenzung, basiert auf GNU-Compiler, grafische Programmierung mit UML möglich, integrierter Debugger)
* [http://www.comsytec.eu/epsdebugger.php EPS Debugger Plugin, für STM32 Development mit Code::Blocks]

=== Tutorials für diverse Tool-Kombinationen ===
[[STM32 Eclipse Installation|Windows,Linux, Eclipse + Yagarto/CodeSourcery + OpenOCD/ST-Link]]

* Windows
** Eclipse
*** [http://www.mikrocontroller.net/topic/216554 Windows, Eclipse, codesourcery, st-link ]
*** [http://www.firefly-power.de/ARM/debugging.html Eclipse Plugin "GDB Hardware Debugging" mit OpenOCD]
** Code::Blocks
*** [http://www.mikrocontroller.net/topic/265600 Windows, Code::Blocks, STM32F4]
** STM32 mit EmBlocks
*** [http://www.emblocks.org/web/downloads-main Download EmBlocks]
*** [https://www.youtube.com/watch?v=coHPJylnzC8 Video STM32 Project Wizzard in EmBlocks]
** Atollic TrueSTUDIO
*** [[STM32 LEDBlinken AtollicTrueStudio|Atollic TrueSTUDIO Installation + Demo]]
** MDK-ARM Lite mit Einstellungen für STM32F0/F4-Discovery Board
*** [https://www.keil.com/demo/eval/arm.htm KEIL MDK-ARM Download]
*** [https://www.youtube.com/watch?v=RXOOxby5nns&list=PL6-W3FoUyb48WFI5PQv3SDJj2G1t2FonV&index=1 Installations Video STM32F4 Discovery Board]
*** [https://www.youtube.com/watch?annotation_id=annotation_203294&feature=iv&index=4&list=PL6-W3FoUyb48WFI5PQv3SDJj2G1t2FonV&src_vid=sN4gDZ7H8gw&v=BeZcQjXxk9A Einstellungen STM32F0 Discovery Board Video]
** SiSy ARM, STM32
*** Download: [http://www.sisy.de/index.php?id=59 SiSy DEMO] kein Begrenzung der Codegröße
*** [http://www.youtube.com/watch?v=84Y3jYLWYpo Videobeispiel]
** Microsoft Visual Studio
*** [http://visualgdb.com/tutorials/arm/stm32/f4_discovery/ "STM32F4-Discovery tutorial with Visual Studio"]
* Ubuntu
** [http://www.seng.de/downloads/HowTo_ToolChain_STM32_Ubuntu.pdf Ubuntu, eclipse, Code Sourcery, OpenOCD] ([http://www.seng.de/downloads/HowTo_ToolChain_STM32_Ubuntu.odt Das Gleiche im bearbeitbaren ODT-Format])
** [http://fun-tech.se/stm32/index.php Ubuntu, Selbstcompilierter GCC, STM32/Cortex-M3]
** [http://thetoolchain.com The ToolChain] - Automatisch installierende Entwicklungsumgebung mit eigenen und externen Treibern, Unterstützt QtCreator als IDE, Flexibel erweiterbar über Shellskripte

* [http://www.mikrocontroller.net/topic/214719 Tipps für Installation mit Eclipse]

===Programmieradapter===
* [http://www.segger.com/jlink-model-overview.html SEGGER J-LINK / J-TRACE] für u.a. alle ARM7/9/11, Cortex-M0/M1/M3/M4/A5/A8/A9/R4 als [http://www.segger.com/cms/j-link-edu.html NonComercial] J-LINK-EDU für ca. 60,- zu haben, läuft in µVision, IAR, GDB (Linux & Windows über einen eigenen [http://www.segger.com/admin/uploads/productDocs/UM08005_JLinkGDBServer.pdf GDB-Server]), Keil, ...
* Keil [http://www.keil.com/ulinkme/ ULINK-ME], [http://www.keil.com/arm/ulink2/ ULINK2], [http://www.keil.com/arm/ulinkpro/ ULINK pro]
* [http://www.st.com/internet/evalboard/product/219866.jsp ST-LINK], [http://www.st.com/internet/evalboard/product/251168.jsp ST-LINK/V2]
* Jedes STM32 Discovery board hat einen ST-Link für Programmierung/Debugging per SWD on-board, welcher auch für eigene STM32 Target Hardware benutzt werden kann (ca. 12,- bis 19,-€, je nach Typ).
* [http://www.raisonance.com/~rlink-debugger-programmer__microcontrollers__tool~tool__T018:4cn9ziz4bnx6.html Raisonance RLink]
* [http://www.amontec.com Amontec]
* [http://www.hjtag.com H-JTAG] Personal Edition für ca. 60,- zu haben, läuft mit ADS, SDT, IAR, Vision und RVDS
* [http://www.isystem.com/products/itag iTag] für 50.- bei Amazon zu bestellen, oder als Eigenbau version (offenes Design) läuft mit der freien winIDEAiTag version (siehe oben)

In der Regel haben die [[JTAG]] Adapter einen 20-Poligen Stecker, den man direkt auf die Demo-Boards, die auch einen 20-Poligen [[JTAG]]-Anschluss haben, einstecken kann. Die Pinbelegung ist genormt, siehe Artikel [[JTAG]]. Die Discovery-Boards haben keinen seperaten JTAG-Stecker, aber zumindest für das STM32F4 Discovery kann man sich leicht einen Adapter Pinheader->JTAG Stecker selber bauen.

Andere [[JTAG]] Adapter wie z.B. der ULink von Keil funktionieren nur mit dem Keil Compiler.

===Programmieradapter Open-Source===

* [https://www.olimex.com/Products/ARM/JTAG/ARM-JTAG-COOCOX/ ARM-JTAG-COOCOX], CoLinkEX Nachbau von Olimex, unterstützt JTAG sowie SWD
** [http://www.coocox.org/colinkEx.htm unterstützte uC]
** unterstütze IDEs: [http://www.keil.com/arm/mdk.asp Keil MDK-ARM 4.03] oder neuer, [http://www.iar.com/en/Products/IAR-Embedded-Workbench/ IAR Embedded Workbench 5.xx] oder neuer sowie die [http://www.coocox.org/CooCox_CoIDE.htm CooCox CoIDE]
* [https://www.olimex.com/Products/ARM/JTAG/ Olimex] ARM-USB-OCD (ca. 60.-, hat zusätzlich einen Spannungsausgen und einen COM Port)
* [http://www.oocdlink.com/ OOCDLink]
* [https://github.com/texane/stlink Stlink]
* [http://www.randomprojects.org/wiki/Floss-JTAG FLOSS-JTAG]
* [http://capitanio.org/mlink/ Linux Demo Code für die Discovery's ST-Link Programmierung]

Der Controller hat auch einen fest eingebauten Boot-Lader. Damit läßt er sich auch über eine gewöhnliche serielle Schnittstelle programmieren, ohne dass man einen JTAG-Adapter benötigt. Dies erfordert ggf. entsprechende Konfiguration über die BOOTx-Pins und/oder die Option-Bytes.

=== Demo-Projekte ===

* Einführung in die GPIO Programmierung der STM32F10x und STM32F30x Prozessoren am Beispiel des STM32F3 Discovery Boards und Vergleich zur AVR IO Registerstruktur [http://www.mikrocontroller.net/topic/300472#new]
* [[prog_bsp_timer_1_timer2|Programmbeispiel für die Verwendung von Timer2 zusammen mit dem Interrupt]]
* [http://www.firefly-power.de/ARM/printf.html Printf() debugging mit minimalem Aufwand]
* [[STM32_BLDC_Control_with_HALL_Sensor|Programmbeispiel für BLDC Motoransteuerung (Timer 1) mit HALLSensor (Timer 3)]]
* [[Cortex_M3_OCM3U]]
* Martin Thomas hat ein umfangreiches Projekt erstellt, in der die Eclipse Einstellungen enthalten sind:
** [http://www.siwawi.arubi.uni-kl.de/avr_projects/arm_projects/arm_memcards/index.html "ChaN's FAT-Module with STM32 SPI"]
* [[STM32 USB-FS-Device Lib]]
* Modellbau-Sender auf STM32-Basis mit vielen Treibern [http://www.rcos.eu www.rcos.eu]
* Ausführliches [https://github.com/jkerdels/stm32edu Einstiegs-Tutorial] in Codeform für das [http://www.st.com/internet/evalboard/product/252419.jsp STM32F4 discovery board]
* [http://www.redacom.ch/keillab/ Schweizer Gondelbahnsteuerung über Webserver auf ETT STM32F ARM KIT Board in Keil RTOS] mit Webcam
* Die [http://ethernut.svn.sourceforge.net/viewvc/ethernut/trunk/ Ethernut SVN Version] unterstützt inzwischen viele STM32 Typen, viele Devices und einige STM32 Demoboards
* [http://mikrocontroller.bplaced.net/wordpress/?page_id=744 Uwe Bonnes' Libraries für den STM32F4]
* [http://mikrocontroller.bplaced.net/wordpress/?page_id=3290 Uwe Bonnes' STM32F429 Discovery Board Oszilloskop], hier der [http://www.mikrocontroller.net/topic/319831#new Thread]

== Debug- und Trace-Interface (CoreSight™ Debug and Trace Technologie)==

Übersicht über beide Funktionalitäten und den Schnittstellen:
http://www.keil.com/support/man/docs/ulink2/ulink2_cs_core_sight.htm

Die Coresight-Debug-Architektur ermöglicht ein nicht-invasives Debugging, d.h. es können während des Betriebes (meistens) ohne Beeinflussung des Prozessors Daten vom Speicher gelesen und in selbigen geschrieben werden.

=== Debugger Funktionen ===

Der Debugger-Teil besitzt drei Funktionen:
* Run Control: z.B. Programm-Start, Stopp und Einzel-Schritte.
* (Program) Break Points: Ein Programm hält an, wenn der Programm Counter eine bestimmte Programm-Adresse erreicht.
** Die maximale Anzahl der gleichzeitig möglichen Break Points ist begrenzt (z.B. 6 bei einem STM32).
** Die Anzahl der Break Points ist nahezu unbegrenzt, wenn ein Debugger über den Memory Access (s.u.) sogenannte Flash Break Points unterstützt. Dabei wird ein geladenes Programm im Flash umprogrammiert, um den Debugger anzuhalten. Diese Funktionalität ist meistens ein kostenpflichtiges Zusatz-Feature des Debugger-Herstellers.
** Beinhaltet keine Data Watch Funktionalität, welche im Trace-Teil (DWT) realisiert wird.
* Memory Access: Lesen und Schreiben von Speicheradressen.
** Diese Funktionalität beinhaltet keine direkte Flash-Programmierung. Der Programmiervorgang für einen Flash ist herstellerspezifisch und muss von dem verwendeten Debugger unterstützt werden.

=== Trace Funktionen ===
Die Trace-Funktionalität wird in drei Funktionen aufgeteilt:
* ETM (Embedded Trace Macrocell): Optional, nicht jede CPU besitzt diese Hardware (Kostenfaktor, Austattung).
* ITM (Instrumentation Trace Macrocell): Über diesen Kanal kann ein vereinfachtes Trace des Core ermöglicht werden, sowie "printf-ähnlich" Daten über den ITM Channel 0 geschickt und im Debugger ausgegeben werden.
* DWT (Data Watchpoint & Trace Unit):
** Data Watch: 4 Access-Break-Points ( z.B. der Debugger bleibt stehen, wenn das Programm auf einen Speicher zugreift oder der Wert einer Variablen einen bestimmten Wert annimmt).
** Trace Unit: Programmverlauf (durch Lesen des Program Counters) und Interrupt Aufrufe verfolgen, sowie Zeitmessungen.

Einige der Trace-Funktionalitäten können über die JTAG-Schnittstelle angesprochen werden. Die schnelle Trace-Funktionalität (mit 4 bit Parallel-Port) steht nur mit der erweiterten DEBUG + ETM Schnittstelle zur Verfügung. Im Gegensatz zum Debugger-Teil (Run Control, Break Points und Memory Access) werden Trace-Funktionen nicht von allen Debuggern unterstützt. Debugger mit der vollen Trace-Funktionalität kosten deutlich mehr.

* Beispiele für Trace-Port-Aktivierungen für verschiedene Hersteller: http://www.keil.com/support/man/docs/jlink/jlink_capture_tracedata.htm

Die Aktivierung des parallelen Trace-Ports erfordert, je nach CPU Hersteller, zusätzliche Debugger-Makros für die Aktivierung und Port-Freischaltung. Zusätzlich sind die Schnittstellenauswahl und Einstellung (Frequenzen) im Entwicklungs-Tool (IDE) wichtig, um erfolgreich den Programm-Verlauf "tracen" zu können.

=== Debug und Trace-Schnittstellen ===
Als Debug Interface stehen zwei Varianten zur Auswahl:
* [[JTAG]]: Dafür sind mindestens 6 Steuerleitungen nötig. Unterstützt Device Chaining: Mehrere verbundene Geräte können mit einem Debugger/Programmer gleichzeitig angesteuert werden.
* SWD (Serial Wire Debug): Hier mindestens 2 Steuerleitungen (3 mit SWO, zzgl GND und 3,3V). Die SWD Schnittstelle ist in der Regel schneller und kann auch Funktionen aus dem Trace-Teil beinhalten (z.B. ITM, dafür wird der SWO-Pin benötigt). Device Chaining ist mit dieser Schnittstelle nicht möglich.

Standard-JTAG Steckerbelegungen:
http://www.keil.com/support/man/docs/ulink2/ulink2_hw_connectors.htm

=== Der 10polige JTAG-Stecker von mmvisual ===
mmvisual hat mit dieser Steckerbelegung die Standard JTAG Schnittstelle erweitert:

Ich habe diesen Part in den Artikel [http://www.mikrocontroller.net/articles/JTAG#Der_10-polige_JTAG_Stecker_von_mmvisual JTAG] verschoben.
Hinzu gekommen ist die Adapterplatine 10-Polig auf Standard JTAG 20 Polig mit TTL/V24 Wandler. [http://www.mikrocontroller.net/articles/JTAG#Die_Adapterplatine Siehe hier.]

== Hardware-Beschaltung ==

Der STM32 benötigt für den Betrieb nur (Minimalbeschaltung):

* VCC 2..3,3V (je nach Typ)
* AVCC 2..3,3V (sehr wichtig, der STM32 lässt sich ohne diese Spannung nicht programmieren)
* GND
* Reset Pin 100nF nach GND (ein Pull-Up Widerstand von ca. 40k ist intern vorhanden)
* [[#Bootmodi|Boot-Pins]]

ansonsten nur ein paar einzelne Cs 100nF an VCC/GND.

Um Programmieren zu können wird entweder noch die serielle Schnittstelle (Programmieren über den vorprogrammierten Bootloader) oder JTAG oder die SWD Schnittstelle benötigt.

=== Bootmodi ===
Unterschiedliche Bootmodi lassen sich mittels der PINs BOOT0 und BOOT1 auswählen . Siehe Application Note [https://my.st.com/public/STe2ecommunities/mcu/Lists/cortex_mx_stm32/Attachments/18225/AN2606.pdf AN2606]. Ausser F1 besitzen neuere Familien ein SYSCFG_MEMR Register. In dieses Register kann man die gewünschten Boot0/1 Werte schreiben und nach einem Core-Reset (!= System_Reset) startet der Prozessor im gewünschten Mode. Eine Neu- bzw. Deinitialisierung der Peripherie empfiehlt sich!

==== Boot from FLASH ====
Startadresse wird von 0x08000004 geladen
BOOT0 Lo
BOOT1 X

==== Boot from SRAM ====
PC Startadresse wird an 0x200001E0 direkt angesprungen.
BOOT0 Hi
BOOT1 Hi
Da der interne FLASH der stm32f1x laut Datenblatt nur für 1000 Schreibvorgänge ausgelegt ist, kann mittels BOOT0 (High) und BOOT1 (High) auch aus dem zuvor mit dem Debugger (JTAG/SWD) beschriebenen SRAM booten.
Hierbei gilt zu beachten:
VTOR auf die NVIC Tabelle im SRAM vor dem auslösen des ersten Interrupts remappen.

Um ein vergleichbares Startverhalten zum FLASH zu erreichen, empfiehlt es sich,
0xF1E0F85F an 0x200001E0 zu schreiben. Diese implizite Ausführung von "ldr.w pc,
[pc, #-0x01E0]" beim Start erzwingt ein laden der Startadresse von 0x20000004.

==== Boot from SYSMEM (RS232, CAN und USB) ====
PC Startadresse wird von 0x1FFFF004 geladen
BOOT0 Hi
BOOT1 Lo

Ab F2 gibt es auch ein SYSCFG_MEMRMR Register. Schreibt man hier den Wert für "System Flash" und macht einen Corereset (keinen Systemreset), so landet ,man auch im Bootloader, unabhängig von dem wert der Boot Pins.

Auch ohne JTAG lässt sich ein STM32 programmieren (Bootloader-Aktivierung). Dabei stehen, je nach CPU-Typ, verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung:
* RS-232 (bisher alle STMs)
* USB (alle USB fähigen CPUs > F103)
* CAN (wie USB nur in bestimmten MCUs)

3 zusätzliche Verbindungen müssen auf dem Board gepatcht werden. Für einen Test geht es auch mit Tastern für RESET und BOOT0. 
RESET=RTS (L-aktiv) 
BOOT0=DTR (H-aktiv) 
BOOT1=LOW 

Details sind hier im Forum: [http://www.mikrocontroller.net/topic/141711 STM32 Programmiertool]

Tools für den Download über den STM32-Bootlaoder:
* [http://www.st.com/web/en/catalog/tools/PF257525 STSW-MCU005 STM32 and STM8 Flash loader demonstrator]
* [https://code.google.com/p/stm32flash/ Open source flash program for the STM32 ARM processors using the ST serial bootloader (for Linux)]

== Bewertung ==
=== Vorteile ===

'''Vorteile gegenüber ARM7:'''

* Interrupt-Controller jetzt Teil des Prozessors (als Core Peripheral), die Vector Table ist jetzt eine echte Vektortabelle, keine Sprungliste wie bei ARM7. Durch Automatismen zwischen Core und NVIC (auto register save r0..r3, lr, sp, pc) bei Interrupt Entry wird eine deutlich schnellere Ausführungszeit bei Interrupts erreicht. Der Interrupt Code muss sich nicht mehr selbst um die Sicherung der o.g. Register kümmern und eine besondere Konfiguration der Handler im Compiler entfällt. Sind vor Beendigung einer ISR (d.h. Rücksprung zum User Code) weitere Interrupts pending, so werden diese ausgeführt, ohne dass eine komplette pop-push-sequenz der Register notwendig ist. Schön beschrieben ist es hier im [http://www.hitex.com/fileadmin/pdf/insiders-guides/stm32/isg-stm32-v18d-scr.pdf Insider's Guide] unter 2.4.5 / Seite 20.
* Thumb-2 Befehlssatz, deutlich schneller als Thumb-1 und ebenso kompakt
* Weniger Pins für Debugging benötigt durch SWD
* Mehr Hardware Breakpoints machen debuggen einfacher
* Software ist einfacher weil die Umschaltung zwischen ARM Mode und Thumb Mode wegfällt

'''Vorteile gegenüber LPC1700 und LPC1300:'''

* Flexiblere Gehäuseformen mit mehr Peripherie bei kleinen Gehäusen
* FW-Lib für alle STM32 gleich, alle AppNotes/Demos beziehen sich auf diese eine FW-Lib was die Entwicklung der eigenen Applikation sehr beschleunigt.
* Genauerer und flexiblerer ADC, insbesondere gegenüber LPC1300
* Flexiblere Varianten der Peripherie >> bei weniger einen deutlichen Preisvorteil
* ab 0,85 EUR (Stand 2010) Allerdings gibts den LPC1100 mit Cortex-M0 schon ab 0,65 $!

'''Vorteile gegenüber SAM3/4:'''

* Fast alle Pins sind 5-Volt tolerant.

'''Vorteile gegenüber anderen "Kleinen" wie z.B. PIC, Atmel usw.'''
* nahezu gleicher Preis bei Hobby Anwendungen
* 32 Bit ohne Umwege in Assembler rechenbar
* Schnelle direkte Offset-Adressierung ermöglich effizienten Zugriff auf Stack-Variablen, lokal gespeicherte Flash-Konstanten, struct/Array-Elemente
* Einfache einheitliche Adressierung des gesamten Adressraums, d.h. Pointer auf Peripherieregister, RAM & Flash können exakt gleich behandelt werden, keinerlei Banking/Umschalt-Mechanismen erforderlich auch bei großem Flash/RAM
* Interrupt-Prioritäten und Prioritätsgruppen
* Effiziente Pointerarithmetik da Registerbreite=Adressbreite
* bessere Peripherie wie USB, Ethernet, Vielzahl an Timern
* der ARM-Core hat eine höhere Taktfrequenz und kann gleichzeitig mehr in weniger Takten berechnen
* Hardware-Division, bei einigen FPU zur effizienten float-Berechnung
* Mit größerem Flash/RAM verfügbar
* Code kann direkt aus dem RAM ausgeführt werden, Speicherschutz und privilegierter Ausführungsmodus können "Kernel"- vor "Anwendungs"-Code schützen, somit wird das dynamische Nachladen von Anwendungen aus externem Speicher effizient & sicher möglich
* ... und weitere 1000 Punkte ...

'''Links'''
* [http://www.arm.com/files/pdf/ARM_Microcontroller_Code_Size_%28full%29.pdf Code Size Analyse zwischen verschiedenen µC]

=== Nachteile ===

'''Nachteil gegenüber LPC1700:'''
* STM32F1xx: nur 72 MHz statt 100 MHz (LPC1759: 120 MHz) Taktfrequenz; STM32F2xx hat diesen Nachteil nicht (ebenfalls 120MHz, STM32F4xx mit 180MHz)
* Der LPC1700 besitzt deutlich mehr Mechanismen, um die Auswirkung der Waitstates des Flash-ROMs auf Code- und Datenzugriffe zu reduzieren und das bedeutet mehr Performance bei gleicher Taktfrequenz. Beim STM32F2 entfällt dieser Nachteil wohl aufgrund des ART Accelerators.
* Alle LPC1xxx haben 32 Bit Timer. Bei den STM32 haben das nur die STM32F2xx (2 Stück)
* I2S Einheit von ST hat keinen FIFO und im 24/32Bit Modus müssen 2x16Bit Halbwörter übertragen werden. Wobei allgemein bei neuen ARM Prozessoren die vorhandenen DMA-Kanäle (basierend auf eigenen BUS-Kanälen und Speicherzugriffen) FIFO in beliebiger Größe bedeutet.

'''Nachteil für Hobby-Anwender'''

* Nicht direkt "Steckbrettauglich", da kein DIL Gehäuse verfügbar. Der ebay-Shop dipmicro führt jedoch sehr günstige Lötadapter für Umsetzung von LQFP48 auf DIP48. QFP64 in 0.5mm Pinabstand und nicht 0.8mm wie AVR. Von NXP gibt es Cortex-M0 µC im DIL Gehäuse.

* Viel Peripherie, Clocks müssen alle richtig eingestellt werden, ggf. Anpassung des Startup Codes usw.

'''

== Errata, Tipps und Tricks ==
=== Hardware ===
* AD-Wandler PA0: Im Errata steht, dass hier Fehler in der Wandlung entstehen könnten, also einen anderen Pin verwenden.
* CAN-Bus PD0/PD1: Remap geht erst ab der 100-Pin-Version. Steht im RM0008 unter 9.3.3.: "CAN1 alternate function remapping". Alle Infos von RM0008 9.3.x sind interessant
* CAN und USB sind bei der F1 Serie nur bei der "◦Connectivity-Line" gleichzeitig nutzbar. Siehe Datenblätter.
* Mit internem RC-Oszillator kann die CPU mit maximal 64MHz betrieben werden. Mit einem externen Quarz sind dann 72MHz möglich.
* Für USB Betrieb muss die CPU mit 48MHz oder 72MHz betrieben werden (bei STM32F1xx).
* Der Idle Interrupt vom Usart wird zwar ausgelöst, aber nicht vom entsprechenden Statusflag angezeigt
* Der DMA fängt beim aktivieren immer von vorn an zu zählen, auch wenn er nur kurz angehalten wurde
* STM32F2xx hat kein Flash Size Register, bei STM32F4xx ist zwar ein flash Size Register beschrieben, kollidiert aber in der Adresse mit einem anderen Register
* Derivate mit internem EEPROM und nur einer Speicherbank haben das "Feature" bei write/erase des Data-Flashes (EEPROM) einen kompletten stall der code execution zu verursachen (inkl. ISR's, DMA). Desgleichen bei write/erase des internen Flash (ISP-routinen, EEPROM-Emulation).
* Der I2C hat diverse Fehler, welche im Errata des jeweiligen Modells (z.B. [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/errata_sheet/CD00238166.pdf STM32F105xx and STM32F107xx Errata sheet] ) zu finden sind. Workarounds hierzu finden sich in der Application Note [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/application_note/CD00209826.pdf AN2824]. Am Besten benutzt man jedoch die I2C Communication peripheral application library (CPAL) von ST ([http://www.st.com/web/catalog/tools/FM147/CL1794/SC961/SS1743/PF258336 STSW-STM32127])
* [http://blog.frankvh.com/category/stm32/ weitere undokummentierte Features]
* Interrupt-Flags in Statusregistern der diversen Peripherals wie der Timer müssen zu '''Beginn''' (bzw. möglichst weit vor dem Return) der ISR zurückgesetzt werden, da die ISR sonst eventuell 2x ausgeführt wird ([http://www.mikrocontroller.net/topic/312393#new Siehe Forum]).

=== Software ===
==== GCC ====
Um den GCC direkt zu verwenden (zB. mit selbstgebautem makefile), falls man das nicht von einer Entwicklungsumgebung machen lässt, siehe zunächst [[ARM GCC]]. STM32-spezifisches ist:
* Wird die [[#.E2.80.8ESTM32_Standard_Peripheral_Library|STM32 Standard Peripheral Library]] und ein Quarz verwendet, so muss noch per Präprozessor-Definition die Frequenz des Quarzes angegeben werden mittels z.B. -DHSE_VALUE=8000000 für 8MHz (wie auf dem STM32F4 Discovery).

===== Startupcode & Linkerscript =====
* Damit der compilierte Code an den richtigen Stellen im Controller landet (d.h. dem Flash) muss man dem Linker ein Linkerscript mitgeben. Dies geht per "-T ''pfad_zum_linkerscript.ld''" an den Linker-Befehl. Im Archiv der [[#.E2.80.8ESTM32_Standard_Peripheral_Library|STM32 Standard Peripheral Library]] befindet sich ein Beispiel-Linkerscript für die Atollic TrueSTUDIO IDE, dieses kann direkt mit dem GCC verwendet werden. Beispielsweise für den STM32F4 befindet sich das Script im Pfad "/STM32F4xx_DSP_StdPeriph_Lib_V1.1.0/Project/STM32F4xx_StdPeriph_Templates/TrueSTUDIO/STM324x7I_EVAL/stm32_flash.ld" des Archives.
* Damit beim Starten die richtigen Initialisierungen vorgenommen werden (wie globale Variablen und bei C++ Konstruktoren globaler Objekt-Instanzen) muss als erstes ein Startupcode laufen, der dann die main()-Funktion aufruft. Der Startupcode ist meistens in Assembler geschrieben, C-Code ist aber auch möglich. Im Archiv der [[#.E2.80.8ESTM32_Standard_Peripheral_Library|STM32 Standard Peripheral Library]] befindet sich ein Beispiel-Startupcode für die Atollic TrueSTUDIO IDE, dieser kann direkt mit dem GCC verwendet werden. Beispielsweise für den STM32F4 befindet sich der Code in Assemblerform im Pfad "/STM32F4xx_DSP_StdPeriph_Lib_V1.1.0/Libraries/CMSIS/Device/ST/STM32F4xx/Source/Templates/TrueSTUDIO/startup_stm32f40xx.s" des Archives. Der Assemblercode kann per arm-none-eabi-as (Flags s.o.) assemblisiert werden, die resultierende .o -Datei normal mitgelinkt.

Zusammen bieten die beiden Dateien der Anwendung ein Standard-C-Interface, d.h. man kann wie gewohnt globale Variablen verwenden und seinen Code in die main()-Funktion schreiben.

=== Tipps für Umsteiger von Atmel/PIC/8051 ===
* Prozessortakt hat unterschiedliche Taktquellen und eine PLL.
* Alle Peripheriemodule haben einen extra Clock, den man aktivieren muss.
* Wenn man z.B. einen UART benutzen möchte, so muss man den Clock vom UART, Alternate Function IO (AFIO) und dem GPIO-Port aktivieren.
* Ansonsten hat man nahezu doppelt so viele Möglichkeiten in den Peripheriemodulen.
* Interrupt-Flags müssen in der ISR selber gelöscht werden
* Forum zu [http://www.mikrocontroller.net/topic/175888 Interrupts vs. Events]

=== Errata vom STM32F4xx die nicht im Errata von ST stehen ===
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/267439#2788478 Aktivieren von DMA], wenn mehr als 3 DMA Kanäle aktiviert werden, kann es sein dass die nicht alle korrekt bedient werden. Auch klappt der DMA mit dem FSMC nicht immer zuverlässig. [https://my.st.com/public/STe2ecommunities/mcu/Lists/cortex_mx_stm32/Flat.aspx?RootFolder=%2Fpublic%2FSTe2ecommunities%2Fmcu%2FLists%2Fcortex_mx_stm32%2FWarning%20limit%20simultaneous%20DMAs%20to%202&FolderCTID=0x01200200770978C69A1141439FE559EB459D7580009C4E14902C3CDE46A77F0FFD06506F5B&currentviews=811 siehe hier] [http://blog.frankvh.com/2012/01/13/stm32f2xx-stm32f4xx-dma-maximum-transactions/ und hier]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/260637#2700761 Nerviger Bug in "stm32f4xx.h"] Änderung Struktur GPIO_TypeDef
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/261690#2714754 Batterie wird leer gezogen], nur bei manchen Chips mit Rev. A
* [http://www.efton.sk/STM32/STM32F4xx_doc_errors.txt Liste von Dokumentations-Fehlern]

== Bezugsquellen ==

=== Controller ===

Versandhäuser für Privatpersonen
* [http://www.reichelt.de/STM-Controller/2/index.html?;ACTION=2;LA=2;GROUPID=2950; Reichelt]
* [http://darisusgmbh.de/shop/index.php?cat=c2692_ARM-Cortex.html Darisus]
* [http://www.hbe-shop.de HBE (Farnell Programm für Private)]
* [http://www.sander-electronic.de/be00069.html Sander]
* [http://www.tme.eu/de/katalog/index.phtml#cleanParameters%3D1%26search%3DSTM32F10%26bf_szukaj%3D+ TME]
* [http://teske-electronics.de/index.php?cPath=3_9_53 Teske electronics]
* [http://de.rs-online.com/web/c/halbleiter/prozessoren-und-mikrocontroller/mikrocontroller/?sort-by=default&sort-order=default&applied-dimensions=4294417325&lastAttributeSelectedBlock=4294425895 RS-Online]

Gewerblich liefern natürlich viele wie EBV, Mouser, Farnell, Digikey usw...

=== Evaluation Boards ===

* [http://shop.embedded-projects.net/index.php?module=artikel&action=gruppe&id=14 Im Shop von Embedded Projects]
* [http://www.watterott.com/de/Boards-Kits/ARM/ARM-Cortex-M3 Cortex M3 bei Watterott]
* [http://www.raisonance.com/~primer-starter-kits__microcontrollers__tool~tool__T018:4enfvamuxbtp.html Primer und Primer2 von Raisonance]
* [http://www.sander-electronic.de/es0028.html Sander Electronic]
* [http://www.mikrocontroller.net/articles/MP32F103-Stick:_Ein_Mini-Mikrocontroller-Board_mit_USB_und_bis_zu_4MB_Datenspeicher Artikel im Wiki, ARM mit USB und 4MB Speicher]
* [http://www.futurlec.com/STM32_Development_Board.shtml Futurlec Evalboard, ebenso Header-Board]
* [http://www.propox.com/products/t_174.html Propox, Header-Boards für 103R und 103V sowie Trägerplatine dafür]
* [http://www.mikrocontroller.net/articles/Cortex_M3_OCM3U Cortex M3 Artikel im Wiki]
* [http://olimex.com/dev/index.html STM32 bei Olimex]
* [http://de.farnell.com/jsp/displayProduct.jsp?sku=1824325&action=view&CMP=GRHS-1000962 STM32Discovery bei Farnell] Mikrocontroller Board (STM32F100RBT6B) mit onboard USB-Programming Interface für ca. 12,50€
* [http://www.de.rs-online.com/web/p/products/7458434/ STM32Discovery bei RS-Components] 12,65 € +MwSt.
* [http://www.segor.de/#Q=STM32 VL DISCOVERY] STM32 Discovery bei Segor
* [http://www.watterott.com/de/STM32F4Discovery STM32F4DISCOVERY] STM32F4 Cortex M4 Controller mit JTAG-Debugger auf der Platine bei Watterott für 16,66EUR.
* [http://www.conrad.de/ce/de/product/443910/ STM32F4 Discovery Kit bei Conrad] 17,11 €
* [http://www.mcu-raisonance.com/~open4-development-platform__microcontrollers__tool~tool__T018:g65gu6ghg2n.html/ Open 4 oder auch genannt Evo-Primer]
* [http://www.wayengineer.com/index.php?main_page=index&cPath=50_66&page=1&sort=3a WayEngineer]
* [http://thinkembedded.ch/ST-STMicroelectronics:::24.html Im Thinkembedded Shop] in der Schweiz / DiscoveryF4, div. ETT und Olimex Boarde ab 20,18 CHF / 16,15 EUR (inkl. MwSt.) zzgl. Versandkosten
* [http://shop.myavr.de/ARM-Produktlinie/STM32F4-Discovery.htm?sp=article.sp.php&artID=200072 Im myAVR Shop] DiscoveryF4 mit möglichem Zubehör 16,45 EUR (inkl. MwSt.) zzgl. Versandkosten
* [http://www.keil.com/boards/cortexm.asp Keil/ARM Demoboards]
* [http://www.phytec.de Phytec]
* [http://shop.myavr.de/index.php?sp=artlist_kat.sp.php&katID=37 verschiedene ARM Produkte und Erweiterungen bei myAVR]
* [http://re.reworld.eu/de/produkte/s64dil-405/index.htm S64DIL-405 STM32Fxxx ARM Cortex M3 Mikrocontrollermodul mit USB-Schnittstelle, Steckbretttauglich] (Leerplatine eignet sich auch für STM32F1xx Prozessoren.)

== Weblinks, Foren, Communities, Tutorials ==
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/173753 Diskussion zum Artikel]
* [http://www.mikrocontroller.net/forum/mikrocontroller-elektronik?filter=ARM*+STM32*+Cortex* Suche im Forum]
* [[STM32 für Einsteiger]]
* [[STM32 CooCox Installation]]
* [https://my.st.com/public/STe2ecommunities/mcu/Lists/ARM%20CortexM3%20STM32/AllItems.aspx Forum auf der ST Homepage]
* [http://www.stm32circle.com/hom/index.php STM32 Community]
*[http://joe-c.de/pages/posts/einstieg_mikrocontroller_stm32f103_101.php Einstieg: STM32board mit Kamera (deutsch)]
* [http://www.ebv.com/fileadmin/products/Press_Print/Brochures/Product_Brochures/EBV_Cortex%20Collection_V2.pdf Übersicht der Cortex Prozessoren und deren Hersteller (nicht nur ST, von EBV)]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/258652 Tutorial]
* [http://diller-technologies.de/stm32_wide.html STM32 Tutorial in Deutsch von Diller Technologies]
* [http://mySTM32.de STM32 C und C++ Tutorial in Deutsch ]
* [http://mikrocontroller.bplaced.net STM32F4 Quellcode-Librarys und CooCox-Projekte in Deutsch ]
* [http://myugl.de Tutorial für Grafik-Librarys und SiSy-Projekte in Deutsch ]
* [http://www.st.com/web/en/catalog/tools/FM147/CL1794/SC961/SS1533/PF251717 MicroXplorer MCU graphical configuration tool ]

<references/>
[[Kategorie:ARM]]
[[Kategorie:STM32]]
[[Kategorie:Mikrocontroller]]