第7章 基于Cortex-M3的STM32基本結(jié)構(gòu)

第7章基于Cortex-M3的STM32基本結(jié)構(gòu)南京郵電大學自動化學院2課程內(nèi)容7.1STM32F10x系統(tǒng)微處理器7.2STM32F103的基本架構(gòu)7.3STM32F103的最小系統(tǒng)7.4STM32F103的時鐘系統(tǒng)7.5STM32F103的低功耗模式7.6STM32F103的安全特性7.7STM32F103的啟動過程37.1STM32F10x系統(tǒng)微處理器7.1.1Cortex-M3芯片介紹7.1.2ARM處理器7.1.3STM32F10x系統(tǒng)微處理器47.1.1Cortex-M3介紹Cortex-M3內(nèi)核具有的特征Cortex-M3處理器特點5Cortex-M3內(nèi)核具有的特征圖7-1

Cortex-M3芯片各部分與ARM關(guān)系6Cortex-M3內(nèi)核具有的特征內(nèi)部數(shù)據(jù)路徑、寄存器和存儲接口是32位。采用哈佛結(jié)構(gòu)，擁有獨立的指令總線和數(shù)據(jù)總線，保證取指令與數(shù)據(jù)訪問同時進行。Cortex-M3內(nèi)部附加很多的調(diào)試組件。7Cortex-M3處理器內(nèi)部架構(gòu)8Cortex-M3的優(yōu)點（1）性能豐富、成本低。專門針對微控制器應(yīng)用特點而開發(fā)的32位MCU，具有高性能、低成本、易應(yīng)用等優(yōu)點。（2）低功耗。把睡眠模式與狀態(tài)保留功能結(jié)合到一起，確保Cortex-M3處理器既可以提供低能耗支撐，又不影響很高的性能要求。（3）可配置型性強。Cortex-M3的嵌套中斷向量控制器（NVIC）功能提高了設(shè)計的可配置性，可多達240個系統(tǒng)中斷。（4）豐富的連接。97.1.2ARM處理器10ARM處理器核簡介ARM公司開發(fā)了很多系列的ARM處理器核如：ARM7、ARM9、ARM10、ARM11等系列

ARM6核以及更早的系列已很少見目前應(yīng)用比較廣泛的系列是：ARM7ARM9ARM9EARM10SecurCoreXscaleARM11Cortex7.1.2ARM處理器11ARM7系列類型：

ARM7TDMIARM7TDMI-SARM720TARM7EJARM9系列類型：

ARM920TARM922T

ARM940T例如：ARM7、ARM9系列微處理器12ARM系列后綴的含義ARM7TDMI支持高密度16位的Thumb指令集Embeded-ICE,支持片上斷點和調(diào)試點內(nèi)嵌硬件乘法器(Multiplier)支持片上調(diào)試ARM7EJ支持新的JAVA支持增強型DSP指令集13注意：“ARM核”并不是芯片

ARM核＋RAM、ROM、片內(nèi)外設(shè)等組合在一起才能構(gòu)成現(xiàn)實的芯片14ARM公司簡介將技術(shù)授權(quán)給其它芯片廠商形成各具特色的ARM芯片...1516ARM處理器的應(yīng)用當前主要應(yīng)用于消費類電子領(lǐng)域約占32位嵌入式微處理器75％以上的市場份額幾乎100%的手機以及絕大多數(shù)PDA產(chǎn)品均采用ARM體系的處理器“掌上計算”相關(guān)的所有領(lǐng)域皆為其所主宰ARM技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個方面7.1.2ARM處理器177.1.3STM32F10x系統(tǒng)微處理器STM32F10x系列微處理器基于ARMCortex-M3內(nèi)核，按性能可分為4個不同的類型基本型STM32F101系列

USB基本型STM32F102系列增強型STM32F103系列互聯(lián)網(wǎng)型STM32F105和STM32F107系列

STM32F103系列基于32位ARMCortex-M3內(nèi)核STM32F103系列內(nèi)核工作頻率高達72MHzF103系列是使用最廣泛、最易學習的一款187.1.3STM32F10x系統(tǒng)微處理器STM32F103部分內(nèi)部資源：工作頻率高達72MHz;兩個12位DAC;8個16位定時器，2個基本，4個通用，2個高級；12位ADC，最多16個外部通道；高達512KBFlash和64KB的SRAMI/O接口豐富；3個USART，2個I2C，2個SPI，1個CAN。197.1.3STM32F10x系統(tǒng)微處理器STM32系列處理器的優(yōu)點：1、先進的內(nèi)核機構(gòu)2、3種功耗控制3、最大程度整合開發(fā)者使用STM32可以輕松的完成產(chǎn)品的研發(fā)，提供完整、高效的開發(fā)工具和庫函數(shù)，有效的縮短系統(tǒng)開發(fā)時間。20先進的內(nèi)核（1）哈佛機構(gòu)使其在處理器整數(shù)性能測試中有著出色的表現(xiàn)，可達1.25DMIPS/MHz，功耗僅為0.19mW/MHz。（2）Thumb-2指令集以16位的代碼密度帶來了32位的性能。（3）內(nèi)置了快速中斷的控制器，提供優(yōu)越的實時特性，中斷的延遲時間降到只需要6個CPU周期。（4）單周期的乘法指令和硬件除法指令。7.1.3STM32F10x系統(tǒng)微處理器213種功耗控制

STM32經(jīng)過特殊處理，針對應(yīng)用中的3種主要的能耗要求進行了優(yōu)化，這3種能耗需求分別是運行模式下的高效率動態(tài)耗電機制、待機狀態(tài)時極低的電能消耗和電池供電時的低電壓工作能力。

STM32提供了3種低功耗和靈活的時鐘控制機制7.1.3STM32F10x系統(tǒng)微處理器22最大程度整合（1）STM32內(nèi)嵌電源監(jiān)控器，包括上電復(fù)位、低電壓檢測、掉電檢測和自帶時鐘的看門狗定時器，減少對外部器件需求。（2）使用一個主晶振可以驅(qū)動整個系統(tǒng)。低成本的4～16MHz晶振即可驅(qū)動CPU、USB以及所有外設(shè)。使用內(nèi)嵌鎖相環(huán)（PhaseLockedLoop，PLL）產(chǎn)生多種頻率，可為內(nèi)部實時時鐘提供32kHz的晶振頻率。（3）內(nèi)嵌出廠前調(diào)校的8MHzRC振蕩電路可作為主時鐘源。（4）針對RTC（RealTimeClock，實時時鐘）或看門狗（監(jiān)控軟件）的低頻率RC電路。（5）LQPF100封裝芯片的最小系統(tǒng)只需要7個外部無源器件。7.1.3STM32F10x系統(tǒng)微處理器237.2STM32F103的基本架構(gòu)7.2.1外部結(jié)構(gòu)7.2.2內(nèi)部結(jié)構(gòu)7.2.3存儲器的結(jié)構(gòu)和映射247.2.1外部結(jié)構(gòu)STM32系列芯片命名遵循一定的規(guī)則，通過名稱可以確定該芯片引腳、封裝、閃存容量等信息。

（1）芯片系列：STM32代表ST品牌Cortex-Mx系列內(nèi)核（ARM）的32位MCU。（2）芯片類型：F——通用快閃；L——低電壓（1.65～3.6V）；W——無線系統(tǒng)芯片。（3）芯片子系列（4）管腳數(shù)（5）閃存容量（6）封裝類型（7）溫度范圍（8）內(nèi)部代碼257.2.1外部結(jié)構(gòu)267.2.1外部結(jié)構(gòu)如：LQFP64封裝的STMF103芯片（1）電源（2）復(fù)位（3）時鐘控制（4）啟動配置（5）輸入/輸出端口277.2.1外部結(jié)構(gòu)如：LQFP48封裝的STMF103芯片287.2.2內(nèi)部結(jié)構(gòu)1、Icode總線

ICode總線將Corte-M3內(nèi)核的指令總線與閃存指令接口相連接。指令預(yù)取在此總線上完成。2、驅(qū)動單元包括DCode總線、系統(tǒng)總線和DMA總線。297.2.2內(nèi)部結(jié)構(gòu)307.2.2內(nèi)部結(jié)構(gòu)3、被動單元內(nèi)部的Flash：用于存放指令和只讀數(shù)據(jù)，也包括未加載的程序的存儲以及用戶自由存儲的數(shù)據(jù)。

內(nèi)部的SRAM：用于全局變量和堆棧的開銷。FSMC：FSMC（FlexibleStaticMemoryController）可用于擴展設(shè)備。AHB到APB的橋：APB1和APB2上掛載著各種外設(shè)，它們的速度相對較慢，因此使用AHB到APB的橋來銜接。317.2.2內(nèi)部結(jié)構(gòu)4、總線矩陣總線矩陣協(xié)調(diào)各個總線之間的訪問，“仲裁”利用輪換算法。5、寄存器組Cortex-M3處理器擁有R0～R15的寄存器組，其中R13作為堆棧指針SP。堆棧指針有兩個，但在同一時刻只能有一個可以看到，這也就是所謂的“banked”寄存器。327.2.2內(nèi)部結(jié)構(gòu)337.2.3存儲器的結(jié)構(gòu)和映射347.2.3存儲器的結(jié)構(gòu)和映射Cortex-M3的存儲器系統(tǒng)與從傳統(tǒng)ARM架構(gòu)的相比，已經(jīng)發(fā)生了很大的改變。（1）它的存儲器映射是預(yù)定義的，并且還規(guī)定好了哪個位置使用哪條總線。（2）Cortex-M3的存儲器系統(tǒng)支持所謂的“位帶”（bit‐band）操作，通過它實現(xiàn)了對單一比特的原子操作。位帶操作僅適用于一些特殊的存儲器區(qū)域中。（3）Cortex-M3的存儲器系統(tǒng)支持非對齊訪問和互斥訪問。這兩個特性是直到Cortex-v7M時才出現(xiàn)的。（4）Cortex-M3存儲器系統(tǒng)支持小端和大端配置。357.2.3存儲器的結(jié)構(gòu)和映射Cortex-M3只有一個單一固定的存儲器映射。這一點極大地方便了軟件在各種Cortex-M3單片機間的移植。

如：各款Cortex-M3單片機的NVIC和MPU都在相同的位置布設(shè)寄存器，使得它們變得通用。盡管如此，Cortex-M3定出的條條框框是粗線條的，它依然允許芯片制造商靈活地分配存儲器空間，以制造出各具特色的單片機產(chǎn)品。存儲空間一些位置用于調(diào)試組件等私有外設(shè)，這個地址段被稱為“私有外設(shè)區(qū)”367.2.3存儲器的結(jié)構(gòu)和映射私有外設(shè)區(qū)的組件包括：（1）閃存地址重載及斷點單元（FPB）；（2）數(shù)據(jù)觀察點單元（DWT）；（3）指令跟蹤宏單元（ITM）；（4）嵌入式跟蹤宏單元（ETM）；（5）跟蹤端口接口單元（TPIU）；（6）ROM表。377.2.3存儲器的結(jié)構(gòu)和映射存儲器映射圖：Cortex-M3的地址空間是4GB，程序可以在代碼區(qū)、內(nèi)部SRAM區(qū)以及外部RAM區(qū)中執(zhí)行；由于指令總線與數(shù)據(jù)總線是分開的，最理想的是把程序放到代碼區(qū)，使取指令和數(shù)據(jù)訪問各自使用自己的總線。387.2.3存儲器的結(jié)構(gòu)和映射內(nèi)部SRAM區(qū)容量是512MB，通過系統(tǒng)總線訪問。在這個區(qū)下部，有一個1MB的位帶區(qū)，還有一個對應(yīng)的32MB的“位帶別名（alias）區(qū)”，容納了8×106

個“位變量”（對比8051只有128位）。地址空間的另一個512MB范圍由片上外設(shè)的寄存器使用。還有兩個1GB的范圍分別用于連接外部RAM和外部設(shè)備。最后還剩下0.5GB的隱秘地帶，Cortex-M3內(nèi)核的“閨房”就在這里面，其中包括系統(tǒng)級組件、內(nèi)部私有外設(shè)總線、外部私有外設(shè)總線以及由提供者定義的系統(tǒng)外設(shè)。397.3STM32F103的最小系統(tǒng)典型最小系統(tǒng)包括微控制器芯片、電源電路、時鐘電路、復(fù)位電路、調(diào)試和下載電路等。7.3.1電源電路7.3.2時鐘電路7.3.3復(fù)位電路7.3.4調(diào)試和下載電路7.3.5啟動存儲器選擇電路407.3.1電源電路STM32F103系列微控制器的工作電壓為2～3.6V，由于常用電源為5V，因此必須采用轉(zhuǎn)換電路將5V電壓轉(zhuǎn)換為2～3.6V，一般采用電源轉(zhuǎn)換芯片LM1117進行電源轉(zhuǎn)換；它是一個低壓差三端可調(diào)穩(wěn)壓集成電路，由該芯片構(gòu)成的3.3V穩(wěn)壓電路如圖所示。417.3.2時鐘電路時鐘系統(tǒng)為整個硬件系統(tǒng)的各個模塊提供時鐘信號。通常由1個主振蕩器開始，經(jīng)過倍頻、分頻、鎖相環(huán)等電路，生成各個模塊獨立時鐘信號。從主振蕩器到各個模塊時鐘信號通路稱為時鐘樹。STM32時鐘樹可配置，其時鐘輸入源與最終到達外設(shè)處的時鐘速率之間不再有固定的關(guān)系。STM32有5個時鐘源：HSI、HSE、LSI、LSE、PLL。427.3.2時鐘電路（1）HSI：高速內(nèi)部時鐘源，RC振蕩器，頻率為8MHz，精度不高。（2）HSE：高速外部時鐘源，可接石英/陶瓷諧振器或接外部時鐘源，頻率范圍為4～16MHz。（3）LSI：低速內(nèi)部時鐘源，RC振蕩器，頻率為40kHz，提供低功耗時鐘。（4）LSE：低速外部時鐘源，接頻率為32.768kHz石英晶體。（5）PLL：鎖相環(huán)倍頻輸出，時鐘輸入源可選擇為HSI/2、HSE或HSE/2。倍頻可選擇2～16倍，最大輸出頻率≤72MHz。437.3.2時鐘電路系統(tǒng)時鐘SYSCLK可來源于3個時鐘源：HSI、HSE、PLL。任何一個外設(shè)在使用之前，必須首先使能其相應(yīng)的時鐘。447.3.3復(fù)位電路STM32F10x支持3種復(fù)位形式：電源復(fù)位系統(tǒng)復(fù)位備份區(qū)域復(fù)位457.3.3復(fù)位電路1、電源復(fù)位NRST引腳被拉低產(chǎn)生外部復(fù)位時，將產(chǎn)生復(fù)位脈沖。在復(fù)位過程中，芯片內(nèi)部的復(fù)位信號會在NRST引腳上輸出，脈沖發(fā)生器保證每一個復(fù)位源都能保持至少20μs的脈沖延時。復(fù)位事件發(fā)生：（1）上電/掉電復(fù)位（POR/PDR復(fù)位）（2）從待機模式中返回。電源復(fù)位將復(fù)位除了備份區(qū)域外的所有寄存器。電源復(fù)位后，系統(tǒng)復(fù)位入口向量被固定在地址0x0000

0004，即系統(tǒng)從該地址重新運行用戶程序。467.3.3復(fù)位電路2、系統(tǒng)復(fù)位當發(fā)生以下任一事件產(chǎn)生一個系統(tǒng)復(fù)位：（1）NRST引腳上的低電平（外部復(fù)位）（2）窗口看門狗計數(shù)終止（WWDG）復(fù)位（3）獨立看門狗計數(shù)終止（IWDG）復(fù)位（4）軟件復(fù)位（5）低功耗管理復(fù)位通過查看時鐘控制器的RCC_CSR控制狀態(tài)寄存器中的復(fù)位狀態(tài)標志位可以識別復(fù)位事件來源。477.3.3復(fù)位電路3、備份區(qū)域復(fù)位備份區(qū)域復(fù)位只影響備份區(qū)域的寄存器，STM32備份區(qū)域支持兩個專門的復(fù)位操作。通過以下兩種方式可以產(chǎn)生備份區(qū)域復(fù)位。（1）軟件方式：設(shè)置備份區(qū)域控制寄存器RCC_BDCR中的BDRST位。（2）在VDD和VBAT兩者均掉電的情況下，VDD和VBAT上電將觸發(fā)備份區(qū)域復(fù)位。487.3.3復(fù)位電路復(fù)位電路由按鍵和保護電阻、電容構(gòu)成，按下按鍵將觸發(fā)系統(tǒng)復(fù)位。497.3.4調(diào)試和下載電路507.3.4調(diào)試和下載電路JTAG協(xié)議是一種國際標準測試協(xié)議與IEEE1149.1兼容，主要用于芯片內(nèi)部測試。多數(shù)高級器件都支持JTAG協(xié)議，如ARM、DSP、FPGA器件等。標準20芯JTAG接口電路如圖：517.3.5啟動存儲器選擇電路啟動存儲器選擇電路527.3.5啟動存儲器選擇電路BOOT0和BOOT1用于設(shè)置STM32的啟動方式537.4STM32F103的時鐘系統(tǒng)7.4.1輸入時鐘7.4.2系統(tǒng)時鐘7.4.3由系統(tǒng)時鐘分頻得到的其他時鐘547.4.1輸入時鐘在51單片機中，一般都外接一個11.0592MHz的晶振。注意，這里提供時鐘的不是晶振，而是RC時鐘電路，而晶振只是時鐘電路的元器件之一。在STM32中，時鐘源也是由RC時鐘電路產(chǎn)生的，與51單片機的區(qū)別在于RC電路的位置。根據(jù)RC電路的位置，STM32的時鐘源分為內(nèi)部時鐘電路和外部時鐘、內(nèi)外部時鐘電路。557.4.1輸入時鐘內(nèi)部時鐘8MHz32kHz內(nèi)部時鐘外部時鐘外部時鐘567.4.1輸入時鐘1、內(nèi)部時鐘電路內(nèi)部時鐘電路下，晶體振蕩器和RC時鐘電路都在STM32芯片內(nèi)部。標注1處是產(chǎn)生8MHz的時鐘源，稱為HSI；標注4處是產(chǎn)生32kHz的時鐘源，稱為LSI。577.4.1輸入時鐘2、外部時鐘電路外部時鐘電路下，晶體振蕩器在STM32芯片外部，RC時鐘電路在STM32芯片內(nèi)部。標注2處是產(chǎn)生4～16MHz的時鐘源，稱為HSE；OSC_OUT和OSC_IN接8MHz晶振。標注3處是產(chǎn)生32.768kHz的時鐘源，稱為LSE；OSC32_OUT和OS32_IN接32.768kHz，供RTC實時時鐘使用的。587.4.1輸入時鐘3、內(nèi)外部時鐘電路內(nèi)外部時鐘電路下，晶體振蕩電路和RC時鐘電路都在STM32芯片外部。OSC_OUT和OSC_IN、OSC32_OUT和OS32_IN除了分別接晶振的兩個引腳，對于OSC_IN和OSC32_IN引腳，還可以接入外部的RC時鐘電路，其時鐘源直接由外部提供，這種方案不常用。597.4.1輸入時鐘STM32的CPU工作常規(guī)頻率是72MHz，一般接入的晶振是8MHz，這時就需要一個對頻率加倍的操作，即倍頻。預(yù)分頻器中的PLLMUL便可實現(xiàn)對接入時鐘源的倍頻，如x2、x3、x4……倍頻后的時鐘源為PLLCLK。預(yù)分頻器對頻率起到削減的作用，片內(nèi)外設(shè)（如SPI控制模塊、I2C控制模塊等）的工作同樣需要時鐘源，通常低于CPU運行時鐘，例如USB通信才需要48MHz，所以需要對倍頻后的時鐘源進行分頻。607.4.1輸入時鐘一般芯片的分頻做法都是對一個時鐘源倍頻后供給某些部件，其他低于此倍頻后的時鐘都是基于此時鐘源來分頻的。用戶可通過多個預(yù)分頻器配置AHB、高速APB（APB2）和低速APB（APB1）域的頻率。AHB和APB2域的最大頻率是72MHz，APB1域的最大允許頻率是36MHz。SDIO接口的時鐘頻率固定在HCLK/2。617.4.2系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)時鐘（SysTick）時鐘實質(zhì)上是一個定時器，只是它放在了NVIC中，其給操作系統(tǒng)提供一個硬件上的中斷，這種中斷稱為滴答中斷。

RCC（復(fù)位與時鐘控制器）通過AHB時鐘（HCLK）8分頻后作為Cortex系統(tǒng)定時器（SysTick）的外部時鐘。通過對SysTick控制與狀態(tài)寄存器的設(shè)置，可選擇RCC時鐘或Cortex（HCLK）時鐘作為SysTick時鐘。627.4.2系統(tǒng)時鐘637.4.3由系統(tǒng)時鐘分頻得到的其他時鐘由不同的分頻數(shù)可得不同的時鐘頻率647.4.3由系統(tǒng)時鐘分頻得到的其他時鐘舉例：SYSCLK：72MHzHCLK：72MHzPCLK1：36MHzPCLK2：72MHzADCCLK：36MHz由上面可推測幾個預(yù)分頻值為AHBPrescaler=1APB1Prescaler=2APB2Prescaler=1ADCPrescaler=2已知APB1Prescaler=2，故TIM2CLK=PCLK1×2=72MHz，所以被TIM2分頻的時鐘頻率為72MHz。657.5STM32F103的低功耗模式STM32F10x有3種低功耗模式：睡眠模式、停止模式和待機模式66睡眠模式：Corte-M3內(nèi)核停止，所有外設(shè)包括Cortex-M3核心的外設(shè)，如NVIC、SysTick等仍在運行。停止模式：所有的時鐘都已停止。待機模式：1.8V電源關(guān)閉。在運行模式下，也可以通過以下方式中的一種來降低功耗。（1）降低系統(tǒng)時鐘；（2）關(guān)閉APB和AHB總線上未被使用的外設(shè)時鐘。7.5STM32F103的低功耗模式677.6STM32F103的安全特性STM32F10x內(nèi)置了兩個看門狗：獨立看門狗（IWDG）和窗口看門狗（WWDG），可提供更高的安全性、時間的精確性和使用的靈活性。獨立看門狗：由專用的低速時鐘（LSI）驅(qū)動，即使主時鐘發(fā)生故障，它也仍然有效。窗口看門狗：通常被用來監(jiān)測由外部干擾或不可預(yù)見的邏輯條件造成的應(yīng)用程序背離正常的運行序列而產(chǎn)生的軟件故障。687.7STM32F103的啟動過程微控制器上電后，如何尋找到并執(zhí)行基于C語言的嵌入式程序main函數(shù)呢？微控制器無法從硬件上定位main函數(shù)的入口地址，使用C語言作為開發(fā)語言時，變量/函數(shù)的地址由編譯器在編譯時自行分配，main函數(shù)入口地址在微控制器內(nèi)部存儲空間中不再是絕對不變。在嵌