STM32自學(xué)筆記詳解

STM32自學(xué)筆記詳解目錄\h第1章什么是STM32\h1.1從Cortex-M3說(shuō)起\h1.2STM32面面觀\h第2章杰出的源泉——ARMCortex-M3內(nèi)核架構(gòu)\h2.1ARM架構(gòu)回顧\h2.2Cortex-M3CPU：核心中的核心\h2.2.1管道\h2.2.2編程模型\h2.2.3Cortex-M3CPU的運(yùn)行模式\h2.2.4Thumb-2指令集\h2.2.5非對(duì)齊存取接口\h2.3Cortex-M3處理器——不只是個(gè)處理器\h2.3.1總線\h2.3.2總線矩陣\h2.3.3存儲(chǔ)映射\h2.3.4位帶的概念\h2.3.5系統(tǒng)節(jié)拍定時(shí)器\h2.3.6中斷處理\h2.3.7嵌套中斷向量控制器\h2.4低功耗的新期待\h2.4.1進(jìn)入低功耗模式\h2.4.2CoreSight調(diào)試組件\h第3章歡迎來(lái)到STM32的世界\h3.1讓STM32跑起來(lái)\h3.1.1引腳分布和封裝尺寸\h3.1.2電源的供應(yīng)方案\h3.1.3復(fù)位電路\h3.1.4一個(gè)典型的STM32最小系統(tǒng)\h3.1.5時(shí)鐘源的選擇\h3.1.6啟動(dòng)引腳和ISP編程\h3.1.7調(diào)試端口\h3.2認(rèn)識(shí)真正的STM32\h3.2.1存儲(chǔ)區(qū)映射\h3.2.2性能最大化\h3.3豐富多樣的外部設(shè)備\h3.3.1通用設(shè)備單元\h3.3.2通信接口\h3.4STM32也論低功耗\h3.4.1運(yùn)行模式\h3.4.2幾種低功耗模式\h3.4.3調(diào)試支持特性\h3.5為STM32保駕護(hù)航\h3.5.1一些安全特性\h3.5.2復(fù)位控制\h3.5.3電源檢測(cè)\h3.5.4時(shí)鐘安全系統(tǒng)\h3.5.5看門(mén)狗\h3.5.6外設(shè)的安全特性\h3.6高性能內(nèi)置Flash模塊\h3.6.1內(nèi)置Flash安全特性和編程方法\h3.6.2選項(xiàng)字節(jié)\h第4章百花齊放的開(kāi)發(fā)工具\(yùn)h4.1開(kāi)發(fā)平臺(tái)\h4.2固件庫(kù)和協(xié)議棧\h4.3實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS\h4.4KeilMDK使用入門(mén)\h4.4.1KeilMDK的安裝與工程建立\h4.4.2使用KeilMDK進(jìn)行STM32的程序開(kāi)發(fā)\h第5章STM32基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)\h5.1先用GPIO來(lái)點(diǎn)個(gè)燈吧\h5.1.1概述\h5.1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)\h5.1.3硬件電路\h5.1.4程序設(shè)計(jì)\h5.1.5程序清單\h5.1.6注意事項(xiàng)\h5.1.7使用到的庫(kù)函數(shù)一覽\h5.1.8實(shí)驗(yàn)結(jié)果\h5.1.9小結(jié)\h5.2簡(jiǎn)約而不簡(jiǎn)單的SysTick定時(shí)器\h5.2.1概述\h5.2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和硬件電路\h5.2.3程序設(shè)計(jì)\h5.2.4程序清單\h5.2.5使用到的主要庫(kù)函數(shù)一覽\h5.2.6注意事項(xiàng)\h5.2.7實(shí)驗(yàn)結(jié)果\h5.2.8小結(jié)\h5.3使用GPIO和SysTick定時(shí)器實(shí)現(xiàn)按鍵掃描\h5.3.1概述\h5.3.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)\h5.3.3硬件電路\h5.3.4程序設(shè)計(jì)\h5.3.5程序清單\h5.3.6注意事項(xiàng)\h5.3.7實(shí)驗(yàn)結(jié)果\h5.3.8小結(jié)\h5.4通過(guò)串口和PC說(shuō)聲Hello\h5.4.1概述\h5.4.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)\h5.4.3硬件電路\h5.4.4程序設(shè)計(jì)\h5.4.5程序清單\h5.4.6使用到的庫(kù)函數(shù)一覽\h5.4.7注意事項(xiàng)\h5.4.8實(shí)驗(yàn)結(jié)果\h5.4.9小結(jié)\h5.5風(fēng)吹草動(dòng)也不放過(guò)——NVIC和外部中斷\h5.5.1概述\h5.5.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)\h5.5.3硬件電路\h5.5.4程序設(shè)計(jì)\h5.5.5程序清單\h5.5.6使用到的庫(kù)函數(shù)\h5.5.7注意事項(xiàng)\h5.5.8實(shí)驗(yàn)結(jié)果\h5.5.9小結(jié)\h5.6兩只忠誠(chéng)的看門(mén)狗\h5.6.1窗口看門(mén)狗\h5.6.2獨(dú)立看門(mén)狗\h5.7DMA——讓數(shù)據(jù)傳輸更上一層樓\h5.7.1概述\h5.7.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)\h5.7.3硬件電路\h5.7.4程序設(shè)計(jì)\h5.7.5程序清單\h5.7.6使用到的庫(kù)函數(shù)\h5.7.7注意事項(xiàng)\h5.7.8實(shí)驗(yàn)結(jié)果\h5.7.9小結(jié)\h5.8BKP寄存器與入侵檢測(cè)—廉價(jià)的掉電存儲(chǔ)與防拆解方案\h5.8.1概述\h5.8.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)\h5.8.3硬件電路\h5.8.4程序設(shè)計(jì)\h5.8.5程序清單\h5.8.6使用到的庫(kù)函數(shù)一覽\h5.8.7注意事項(xiàng)\h5.8.8實(shí)驗(yàn)結(jié)果\h5.8.9小結(jié)\h5.9利用RTC實(shí)現(xiàn)一個(gè)萬(wàn)年歷\h5.9.1概述\h5.9.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)\h5.9.3硬件電路\h5.9.4程序設(shè)計(jì)\h5.9.5程序清單\h5.9.6使用到的庫(kù)函數(shù)\h5.9.7注意事項(xiàng)\h5.9.8實(shí)驗(yàn)結(jié)果\h5.9.9小結(jié)\h5.10挑戰(zhàn)STM32的低功耗設(shè)計(jì)\h5.10.1概述\h5.10.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)\h5.10.3硬件電路\h5.10.4程序設(shè)計(jì)\h5.10.5程序清單\h5.10.6使用到的庫(kù)函數(shù)\h5.10.7注意事項(xiàng)\h5.10.8實(shí)驗(yàn)結(jié)果\h5.10.9小結(jié)\h5.11STM32有一雙眼睛叫ADC\h5.11.1概述\h5.11.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)\h5.11.3硬件電路\h5.11.4程序設(shè)計(jì)\h5.11.5程序清單\h5.11.6使用到的庫(kù)函數(shù)\h5.11.7注意事項(xiàng)\h5.11.8實(shí)驗(yàn)結(jié)果\h5.11.9小結(jié)\h5.12通用定時(shí)器的應(yīng)用\h5.12.1概述\h5.12.2時(shí)基單元\h5.12.3比較輸出\h5.12.4PWM輸出\h5.12.5PWM輸入捕獲\h5.12.5本節(jié)使用到的庫(kù)函數(shù)\h5.12.6小結(jié)\h5.13嵌入式Flash的讀／寫(xiě)\h5.13.1概述\h5.13.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)\h5.13.3硬件電路\h5.13.4程序設(shè)計(jì)\h5.13.5程序清單\h5.13.6程序所使用到的庫(kù)函數(shù)\h5.13.7注意事項(xiàng)\h5.13.8實(shí)驗(yàn)結(jié)果\h5.13.9小結(jié)\h5.14使用SPI接口實(shí)現(xiàn)自通信\h5.14.1概述\h5.14.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)\h5.14.3硬件設(shè)計(jì)\h5.14.4程序設(shè)計(jì)\h5.14.5程序清單\h5.13.6所使用到的庫(kù)函數(shù)\h5.14.7注意事項(xiàng)\h5.14.8實(shí)驗(yàn)結(jié)果\h5.14.9小結(jié)\h5.15I2C接口自通信實(shí)驗(yàn)\h5.15.1概述\h5.15.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)\h5.15.3硬件電路\h5.15.4程序設(shè)計(jì)\h5.15.5程序清單\h5.15.6使用到的庫(kù)函數(shù)\h5.15.7注意事項(xiàng)\h5.15.8實(shí)驗(yàn)結(jié)果\h5.15.9小結(jié)\h5.16來(lái)認(rèn)識(shí)一下CAN總線\h5.16.1概述\h5.16.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)\h5.16.3硬件電路\h5.16.4程序設(shè)計(jì)\h5.16.5程序清單\h5.16.6使用到的庫(kù)函數(shù)\h5.16.7注意事項(xiàng)\h5.16.8實(shí)驗(yàn)結(jié)果\h5.16.9小結(jié)\h第6章STM32進(jìn)階應(yīng)用\h6.1進(jìn)階文章1：IAREWARM的工程建立\h6.2進(jìn)階文章2：STM32的時(shí)鐘樹(shù)\h6.3進(jìn)階文章3：解析STM32的庫(kù)函數(shù)\h6.4進(jìn)階文章4：在STM32平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)Cortex-M3的位帶特性\h6.5進(jìn)階文章5：解析STM32的啟動(dòng)過(guò)程\h6.6進(jìn)階文章6：環(huán)形緩沖區(qū)的實(shí)現(xiàn)\h6.7進(jìn)階文章7：軟件定時(shí)器的設(shè)計(jì)\h6.8進(jìn)階文章8：STM32的ISP下載\h6.9進(jìn)階文章9：基于STM32標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)固件庫(kù)v3.x的工程建立\h6.10進(jìn)階文章10：使用I/O口實(shí)現(xiàn)模擬I2C接口\h第7章綜合性實(shí)例：STM32的IAP方案\h附錄常用程序第1章

什么是STM32在過(guò)去的數(shù)年里，微控制器設(shè)計(jì)領(lǐng)域里一個(gè)主流的趨勢(shì)是：基于ARM7和ARM9內(nèi)核設(shè)計(jì)通用控制器的CPU。而如今，已經(jīng)有超過(guò)240種基于ARM核心的微控制器從眾多芯片制造商手中誕生。意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics，簡(jiǎn)稱(chēng)ST）推出了STM32微控制器，這是ST第一個(gè)基于ARMCortex-M3內(nèi)核的微控制器。STM32的出現(xiàn)將當(dāng)前微控制器的性?xún)r(jià)比水平提升到了新的高度，同時(shí)它在低功耗場(chǎng)合和硬實(shí)時(shí)控制場(chǎng)合中亦能游刃有余。1.1從Cortex-M3說(shuō)起Cortex是ARM公司最新系列的處理器內(nèi)核名稱(chēng)，其推出的目的旨在為當(dāng)前對(duì)技術(shù)要求日漸廣泛的市場(chǎng)提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的處理器架構(gòu)。和其他ARM處理器內(nèi)核不一樣的是，Cortex系列處理器內(nèi)核作為一個(gè)完整的處理器核心，除了向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)CPU處理核心之外，還提供了標(biāo)準(zhǔn)的硬件系統(tǒng)架構(gòu)。Cortex系列分為3個(gè)分支：專(zhuān)為高端應(yīng)用場(chǎng)合而設(shè)的“A”（Application）分支，為實(shí)時(shí)應(yīng)用場(chǎng)合而設(shè)的“R”（Real-time）分支，還有專(zhuān)為對(duì)成本敏感的微控制器應(yīng)用場(chǎng)合而設(shè)的“M”（Microcontroller）分支。STM32微控制器基于“M”分支的Cortex-M3內(nèi)核，是專(zhuān)為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高性能與低功率消耗并存而設(shè)計(jì)的，同時(shí)它足夠低廉的價(jià)格也向傳統(tǒng)的8位和16位微控制器發(fā)起了有力的挑戰(zhàn)。ARM7和ARM9處理器被成功地整合進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)微控制器里的結(jié)果就是出現(xiàn)了各自獨(dú)特的SoC（SystemonChip，也即片上系統(tǒng)）。特別從對(duì)異常和中斷的響應(yīng)處理方式上，用戶會(huì)更容易看到這些SoC之間的區(qū)別，因?yàn)槊考倚酒圃焐潭加袑儆谧约旱囊惶捉鉀Q方案。Cortex-M3提出標(biāo)準(zhǔn)化的微控制器核心，在CPU的基礎(chǔ)上又提供了整個(gè)微控制器的核心部分，包括中斷系統(tǒng)、系統(tǒng)節(jié)拍時(shí)鐘、調(diào)試系統(tǒng)以及存儲(chǔ)區(qū)映射。Cortex-M3內(nèi)部的4GB線性地址空間被分為Code區(qū)、SRAM區(qū)、外部設(shè)備區(qū)以及系統(tǒng)設(shè)備區(qū)。和ARM7不同，Cortex-M3處理器基于哈佛體系，擁有多重總線，可以進(jìn)行并行處理，因而提升了整體性能。同時(shí)也和早期的ARM架構(gòu)不同，Cortex-M3處理器允許數(shù)據(jù)非對(duì)齊存取，以確保內(nèi)部的SRAM得到充分地利用。Cortex-M3處理器還可以使用一種稱(chēng)為Bit-banding（譯為“位帶”）的技術(shù)，利用兩個(gè)32MB大小的“虛擬”內(nèi)存空間實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)1MB大小的物理內(nèi)存空間進(jìn)行“位”的置位和清除操作。這樣就可以有效地對(duì)設(shè)備寄存器和位于SRAM中的數(shù)據(jù)變量進(jìn)行位操作，而不再需要冗長(zhǎng)的布爾邏輯運(yùn)算過(guò)程。如圖1.1.1所示，STM32的核心Cortex-M3處理器，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的微控制器結(jié)構(gòu)，擁有32位CPU、并行總線結(jié)構(gòu)、嵌套中斷向量控制單元、調(diào)試系統(tǒng)以及標(biāo)準(zhǔn)的存儲(chǔ)映射。圖1.1.1Cortex-M3處理器內(nèi)部架構(gòu)一覽嵌套中斷向量控制器（NestedVectorInterruptController，簡(jiǎn)稱(chēng)NVIC）是Cortex-M3處理器中一個(gè)比較關(guān)鍵的組件。NVIC為基于Cortex-M3核心的微控制器提供了標(biāo)準(zhǔn)的中斷架構(gòu)和優(yōu)秀的中斷響應(yīng)能力，為超過(guò)240個(gè)中斷源提供專(zhuān)門(mén)的中斷入口，而且可以賦予每個(gè)中斷源單獨(dú)的優(yōu)先級(jí)。利用NVIC可以達(dá)到極快的中斷響應(yīng)速度，從收到中斷請(qǐng)求到執(zhí)行中斷服務(wù)程序的第1條指令所要花費(fèi)的時(shí)間僅僅為12個(gè)時(shí)鐘周期。之所以能實(shí)現(xiàn)這種響應(yīng)速度，一方面得益于Cortex-M3內(nèi)核對(duì)堆棧的自動(dòng)處理機(jī)制，這種機(jī)制是通過(guò)固化在CPU內(nèi)部的微代碼實(shí)現(xiàn)。另一方面，在中斷請(qǐng)求連續(xù)出現(xiàn)的情況下，NVIC使用一種稱(chēng)為“尾鏈”的技術(shù)使連續(xù)而來(lái)的中斷在6個(gè)時(shí)鐘周期之內(nèi)得到服務(wù)。在中斷壓棧階段，更高優(yōu)先級(jí)的中斷可以不耗費(fèi)任何額外的CPU周期就能完成嵌入低優(yōu)先級(jí)中斷的動(dòng)作。Cortex-M3的中斷結(jié)構(gòu)和CPU的低功耗實(shí)現(xiàn)也有緊密的聯(lián)系。用戶可以設(shè)置CPU自動(dòng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，而使用中斷來(lái)將其喚醒，CPU在中斷事件來(lái)臨之前會(huì)一直保持睡眠狀態(tài)。Cortex-M3的CPU支持兩種運(yùn)行模式：線程模式（ThreadMode）與處理模式（HandlerMode），并且此兩種模式都擁有各自獨(dú)立的堆棧。這種設(shè)計(jì)使開(kāi)發(fā)人員可以進(jìn)行更為精密的程序設(shè)計(jì)，對(duì)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持也更好。Cortex-M3處理器還包含一個(gè)24位的可自動(dòng)重裝載定時(shí)器，可以為實(shí)時(shí)內(nèi)核（RTOS）提供一個(gè)周期性的中斷。ARM7和ARM9處理器都有兩種指令集（32位指令集和16位指令集），而Cortex-M3系列處理器支持新型的ARMThumb-2指令集。由于Thumb-2指令集融合了Thumb指令集和ARM指令集，使32位指令集的性能和16位指令集的代碼密度之間取得了平衡。ARMThumb-2專(zhuān)為C/C++編譯器設(shè)計(jì)，這意味著Cortex-M3系列處理器的開(kāi)發(fā)應(yīng)用可以全部在C語(yǔ)言環(huán)境中完成。1.2STM32面面觀盡管ST公司已經(jīng)擁有4個(gè)基于ARM7和ARM9處理器的微控制器產(chǎn)品系列，但是STM32微控制器的推出仍然標(biāo)志著ST在其兩條產(chǎn)品主線（低價(jià)位主線和高性能主線）上都邁出了重大的一步?！皢纹畹蛢r(jià)格低于1歐元！”——STM32的出現(xiàn)伴隨著如此凌厲的口號(hào)，對(duì)于市場(chǎng)上現(xiàn)有的8位單片機(jī)而言是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。STM32最初發(fā)布的時(shí)候共推出14個(gè)不同的型號(hào)，它們被分為兩個(gè)版本：最高CPU時(shí)鐘為72MHz的“增強(qiáng)型”和最高CPU時(shí)鐘為36MHz的“基本型”。不同版本的STM32器件之間在引腳功能和應(yīng)用軟件上是兼容的。這些不同的STM32型號(hào)里內(nèi)置Flash最大可達(dá)128KB，SRAM最大為20KB。而且在STM32最初發(fā)布之時(shí)，配備更大Flash、RAM容量和更多復(fù)雜外設(shè)的版本就已經(jīng)在規(guī)劃之中了。圖1.2.1和圖1.2.2顯示了“增強(qiáng)型”和“基本型”的STM32在結(jié)構(gòu)組成上的區(qū)別。圖1.2.1增強(qiáng)型STM32結(jié)構(gòu)一覽圖1.2.2基本型STM32結(jié)構(gòu)一覽1．精密性乍一看STM32的設(shè)備配備，就像一個(gè)典型的單片機(jī)，配備常見(jiàn)的外設(shè)諸如多通道ADC、通用定時(shí)器、I2C總線接口、SPI總線接口、CAN總線接口、USB控制器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC等。然而，它的每一個(gè)設(shè)備都是非常有特點(diǎn)的，如12位精度的ADC具備多種轉(zhuǎn)換模式，并帶有一個(gè)內(nèi)部溫度傳感器，帶有雙ADC的STM32器件，還可以使兩個(gè)ADC同時(shí)工作，從而衍生出更為高級(jí)的9種轉(zhuǎn)換模式。如STM32的每一個(gè)定時(shí)器都具備4個(gè)捕獲比較單元，而且每個(gè)定時(shí)器都可以和另外的定時(shí)器聯(lián)合工作以生成更為精密的時(shí)序；如STM32有專(zhuān)門(mén)為電機(jī)控制而設(shè)的高級(jí)定時(shí)器，帶有6個(gè)死區(qū)時(shí)間可編程的PWM輸出通道，同時(shí)其帶有的緊急制動(dòng)通道可以在異常情況出現(xiàn)時(shí)，強(qiáng)迫PWM信號(hào)輸出保持在一個(gè)預(yù)定好的安全狀態(tài)；如SPI接口設(shè)備含有一個(gè)硬件CRC單元，支持8位字節(jié)和16位半字?jǐn)?shù)據(jù)的CRC計(jì)算，在對(duì)SD或MMC等存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)存取時(shí)相當(dāng)有用。令人稱(chēng)奇的是，STM32還包含了7個(gè)DMA通道。每個(gè)通道都可以用來(lái)在設(shè)備與內(nèi)存之間進(jìn)行8位、16位或32位數(shù)據(jù)的傳輸。每個(gè)設(shè)備都可以向DMA控制器請(qǐng)求發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。STM32內(nèi)部總線仲裁器和總線矩陣將CPU數(shù)據(jù)接口和DMA通道之間的連接大大地簡(jiǎn)化了，這意味著DMA單元是很靈活的，其使用方法簡(jiǎn)單，足以應(yīng)付微控制器應(yīng)用中常見(jiàn)的數(shù)據(jù)傳輸需求。為了在具備高性能表現(xiàn)的同時(shí)保持低功耗特性，STM32微控制器在低功耗方面也做了不少努力。它可以在2V供電的情況下運(yùn)行，同時(shí)在所有設(shè)備打開(kāi)且運(yùn)行在滿速72MHz主頻的情況下，也僅消耗36mA的電流；在與Cortex-M3內(nèi)核的低功耗模式結(jié)合之后只有最低達(dá)2μA的電流消耗。即便外部振蕩器處在待啟動(dòng)狀態(tài)，STM32使用內(nèi)部8MHz的RC振蕩器也可以迅速地退出低功耗模式。這種快速進(jìn)出低功耗模式的特性，更進(jìn)一步降低了STM32微控制器的整體功率消耗，同時(shí)能仍然保持器件整體的高性能。2．可靠性當(dāng)代的電子應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)處理器處理能力的要求越來(lái)越高，需要越來(lái)越多的精密外設(shè)，同時(shí)對(duì)處理器的運(yùn)行可靠性要求也越來(lái)越高。出于對(duì)可靠性的考慮，STM32配備了一系列的硬件來(lái)支持對(duì)可靠性有高度要求的應(yīng)用。這些硬件包括一個(gè)低電壓檢測(cè)器、一個(gè)時(shí)鐘安全管理系統(tǒng)和兩個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器。時(shí)鐘管理系統(tǒng)可以檢測(cè)到外部主振蕩器的失效，并隨即安全地將STM32內(nèi)部8MHz的RC振蕩器切換為主時(shí)鐘源。兩個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器中的一個(gè)稱(chēng)為窗口看門(mén)狗。窗口看門(mén)狗必須在事先定義好的時(shí)間上下限到達(dá)之前刷新，如果過(guò)早或過(guò)晚地刷新它，都將觸發(fā)窗口看門(mén)狗復(fù)位。第2個(gè)看門(mén)狗稱(chēng)為獨(dú)立看門(mén)狗。獨(dú)立看門(mén)狗使用外部振蕩器驅(qū)動(dòng)，該振蕩器與主系統(tǒng)時(shí)鐘是相互獨(dú)立的，這樣即便STM32的主系統(tǒng)時(shí)鐘崩潰，獨(dú)立看門(mén)狗也能“力挽狂瀾”。3．安全性當(dāng)代電子設(shè)計(jì)行業(yè)中，一個(gè)令人感到比較無(wú)奈的現(xiàn)實(shí)是，開(kāi)發(fā)人員不得不想方設(shè)法提高代碼的安全性以防止被破解人員盜取。STM32可以鎖住其內(nèi)部Flash而使得破解人員無(wú)法通過(guò)調(diào)試端口讀取其內(nèi)容。當(dāng)Flash的讀保護(hù)功能開(kāi)啟之后，其寫(xiě)保護(hù)功能也就隨之開(kāi)啟了。寫(xiě)保護(hù)功能常用于防止一些來(lái)歷不明的代碼寫(xiě)入中斷向量表。但寫(xiě)保護(hù)不僅可以保護(hù)中斷向量表，還可以更進(jìn)一步地將其保護(hù)范圍延伸到整個(gè)Flash中未被使用的區(qū)域。STM32還有一小塊電池備份RAM區(qū)，這塊RAM區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)入侵檢測(cè)引腳應(yīng)用，當(dāng)這個(gè)引腳上產(chǎn)生電平變化時(shí)，STM32會(huì)認(rèn)為遭遇了入侵事件，隨即自動(dòng)將電池備份RAM區(qū)的內(nèi)容全部清除。4．軟件開(kāi)發(fā)支持許多開(kāi)發(fā)工具早已在不知不覺(jué)間支持Thumb-2指令集和STM32系列。但倘若尚未支持，開(kāi)發(fā)人員也只是需要將軟件升級(jí)一下即可獲得對(duì)Thumb-2指令集和STM32的支持。ST公司同時(shí)還為開(kāi)發(fā)人員提供了一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)固件庫(kù)和一個(gè)USB開(kāi)發(fā)應(yīng)用庫(kù)，以方便開(kāi)發(fā)人員調(diào)用。當(dāng)然在一些早期微控制器比如STR7和STR9時(shí)期，已經(jīng)發(fā)布的ANSIC庫(kù)和源代碼對(duì)于STM32來(lái)說(shuō)也是可移植的。這些程序接口已經(jīng)在許多流行的編譯工具上進(jìn)行整合了。相似地，許多開(kāi)源的或商用的RTOS，還有一些中間件（比如TCP/IP棧、文件系統(tǒng)）對(duì)于STM32系列控制器器來(lái)說(shuō)同樣都是可用的。Cortex-M3還將一個(gè)全新的調(diào)試系統(tǒng)CoreSight帶給用戶，用戶可以使用標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口或雙線串行接口通過(guò)調(diào)試端口（DebugAccessPort）實(shí)現(xiàn)和CoreSight系統(tǒng)的對(duì)接。除了提供調(diào)試運(yùn)行控制服務(wù)之外，STM32上的CoreSight還提供斷點(diǎn)數(shù)據(jù)查看功能以及一個(gè)指令跟蹤器。指令跟蹤器可以將用戶選擇的應(yīng)用信息上傳到調(diào)試工具里，從而可以為用戶提供額外的調(diào)試信息，并且它在軟件運(yùn)行期間同樣可以使用。5．STM32的分支：增強(qiáng)型和基本型STM32的型號(hào)系列被分為兩個(gè)分支：增強(qiáng)型和基本型。如圖1.2.3所示，增強(qiáng)型配備完整的外設(shè)，同時(shí)CPU可以在最高達(dá)72MHz的主頻下運(yùn)行?；拘团鋫鋽?shù)量較少的外設(shè)，同時(shí)最高CPU主頻為36MHz。但尤為重要的是，無(wú)論是增強(qiáng)型還是基本型，它們的封裝類(lèi)型和引腳分布是完全一致的，如圖1.2.4所示。這個(gè)特點(diǎn)可以讓開(kāi)發(fā)人員在使用STM32系列微控制器的時(shí)候，不必改動(dòng)PCB就可以隨意更換器件型號(hào)。圖1.2.3STM32增強(qiáng)型與基本型性能對(duì)比圖1.2.4STM32產(chǎn)品線分布圖第2章

杰出的源泉——ARMCortex-M3內(nèi)核架構(gòu)Cortex處理器內(nèi)核已經(jīng)成為ARM公司最新一代嵌入式處理的核心。與早期ARM處理器不同的是，Cortex處理器具有一個(gè)完整的處理核心，包括CortexCPU和圍繞在其周?chē)囊幌盗邢到y(tǒng)設(shè)備，從而向用戶提供了嵌入式系統(tǒng)完整的“心臟”。為了適應(yīng)當(dāng)前各種嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，Cortex處理器分為幾種應(yīng)用分支。而“Cortex”一詞后面跟著的字母則表示了該分支的具體類(lèi)別，其三個(gè)分支描述如下：●Cortex-A系列，在復(fù)雜的操作系統(tǒng)和用戶級(jí)應(yīng)用場(chǎng)合使用的應(yīng)用分支，支持ARM、Thumb和Thumb-2指令集。●Cortex-R系列，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)分支，支持ARM、Thumb和Thumb-2指令集?！馛ortex-M系列，微控制器分支，為對(duì)成本敏感的微控制器應(yīng)用場(chǎng)合而設(shè)，只支持Thumb-2指令集。而在分支字母之后所跟隨的數(shù)字則表示了該內(nèi)核版本的性能級(jí)別，目前由最低的0級(jí)分布到最高的15級(jí)。目前Cortex-M分支中的最高等級(jí)為4。STM32就是基于Cortex-M3處理器的微控制器。2.1ARM架構(gòu)回顧ARM公司的處理器架構(gòu)版本也許會(huì)讓人覺(jué)得有點(diǎn)混亂，分為ARMv6、ARMv7等。如圖2.1.1所示，Cortex-M3處理器基于ARMv7結(jié)構(gòu)，支持Thumb-2指令集。因此ARM對(duì)Cortex-M3的描述會(huì)集中在《Cortex-M3技術(shù)參考手冊(cè)》和《ARMv7架構(gòu)參考手冊(cè)》這兩份文檔里，讀者可以從ARM官網(wǎng)下載得到。圖2.1.1ARM架構(gòu)發(fā)展歷程在后面的章節(jié)里，Cortex-M3處理器和Cortex-M3CPU這兩種稱(chēng)呼將表示兩種含義。Cortex-M3處理器表示完整的Cortex嵌入式核心，而Cortex-M3CPU僅表示Cortex-M3處理器內(nèi)部的“精簡(jiǎn)指令集中央處理單元”（RISCCPU）。下一節(jié)將了解一些Cortex-M3CPU的關(guān)鍵特性。2.2Cortex-M3CPU：核心中的核心Cortex-M3處理器的“心臟”地帶被一個(gè)32位的CPU所占據(jù)。這個(gè)CPU的編程模型和ARM7/ARM9CPU雖有不少相似之處，但是豐富的指令集使得它對(duì)整數(shù)運(yùn)算有更好的支持。Cortex-M3CPU還支持位操作，擁有硬件實(shí)時(shí)性能。2.2.1管道Cortex-M3CPU可以在單個(gè)周期內(nèi)完成絕大多數(shù)指令的執(zhí)行。像ARM7和ARM9一樣，Cortex-M3CPU也使用三級(jí)管道技術(shù)，還使用分支預(yù)測(cè)技術(shù)提高管道使用率。就ARM7/ARM9CPU中的三級(jí)管道來(lái)說(shuō)，當(dāng)一個(gè)指令正在處理時(shí)，下一個(gè)指令已經(jīng)被解碼的同時(shí)第3個(gè)指令已經(jīng)被預(yù)取進(jìn)存儲(chǔ)緩存區(qū)里了，這種處理方式非常適合線性代碼的運(yùn)行。但當(dāng)一個(gè)未知的分支來(lái)臨（比如條件判斷語(yǔ)句），管道必須被強(qiáng)制地刷新清空后才能重載分支代碼繼續(xù)使用。ARM7和ARM9對(duì)分支代碼的處理需要花費(fèi)極大的開(kāi)銷(xiāo)。而Cortex-M3CPU使用分支預(yù)測(cè)技術(shù)使這種三級(jí)管道技術(shù)得到了增強(qiáng)。如圖2.2.1所示，當(dāng)一個(gè)分支指令來(lái)臨時(shí)，會(huì)進(jìn)行一次預(yù)測(cè)性的裝載，從而使得每個(gè)條件指令所有可能的結(jié)果都可得到立即執(zhí)行，而不會(huì)對(duì)CPU性能產(chǎn)生負(fù)面沖擊。最壞的情況也僅僅是，在某個(gè)非直接的分支里，預(yù)測(cè)性的裝載無(wú)法進(jìn)行，這時(shí)才需要刷新管道。管道技術(shù)成為了提升Cortex-M3CPU整體性能的關(guān)鍵所在，而且用戶并不需要為此增加程序代碼。圖2.2.1Cortex-M3CPU三級(jí)管道技術(shù)2.2.2編程模型Cortex-M3CPU作為一個(gè)精簡(jiǎn)指令集處理核心，是基于一個(gè)“載入-存儲(chǔ)”式的架構(gòu)。為了執(zhí)行數(shù)據(jù)處理指令，操作數(shù)必須裝載進(jìn)一系列中央寄存器里，數(shù)據(jù)操作必須在這些寄存器中進(jìn)行，而數(shù)據(jù)運(yùn)算結(jié)束后結(jié)果會(huì)被存到存儲(chǔ)區(qū)中，該過(guò)程如圖2.2.2所示。圖2.2.2Cortex-M3CPU的“裝載-存儲(chǔ)”結(jié)構(gòu)事實(shí)上，所有的程序活動(dòng)都在CPU寄存器組里面進(jìn)行。這個(gè)寄存器組里包含了16個(gè)32位寄存器，如圖2.2.3所示。寄存器R0～R12是基本寄存器，可以用來(lái)保存程序變量。寄存器R13～R15是CPU的特殊功能寄存器。寄存器R13（Banked寄存器）用以保存堆棧指針，該寄存器允許CPU的兩種操作模式都擁有各自的堆?？臻g，這兩個(gè)堆棧分別稱(chēng)為主堆棧和進(jìn)程堆棧。R14寄存器稱(chēng)為鏈接寄存器，作用是在執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令時(shí)保存程序返回地址；通過(guò)R14寄存器可以實(shí)現(xiàn)CPU快速地進(jìn)出調(diào)用函數(shù)；如果用戶的程序中存在幾級(jí)嵌套調(diào)用，則R14的值會(huì)被自動(dòng)壓棧。R15寄存器是程序計(jì)數(shù)器（PC），也是中央寄存器組的一員，用戶可以像對(duì)其他寄存器一樣對(duì)R15進(jìn)行讀／寫(xiě)操作。圖2.2.3Cortex-M3的寄存器組注意：當(dāng)CPU處于線程模式時(shí)，R13寄存器存儲(chǔ)的是主堆棧指針；而當(dāng)CPU處于處理模式時(shí)，R13寄存器存儲(chǔ)的是進(jìn)程堆棧指針。這就是“Banked”一詞的含義。為了讓寄存器組的功能更為完善，Cortex-M3CPU還需要一個(gè)程序狀態(tài)寄存器（ProgramStatusRegister,PSR）。它并不是主寄存器組的一員，只能通過(guò)兩條特殊的指令來(lái)訪問(wèn)。程序狀態(tài)寄存器又可以劃分為幾個(gè)小寄存器（統(tǒng)稱(chēng)為xPSR），它們都能影響Cortex-M3CPU的運(yùn)行狀態(tài)。圖2.2.4顯示了xPSR寄存器的組成細(xì)節(jié)。圖2.2.4xPSR寄存器圖2.2.4中最高的5位是代碼狀態(tài)標(biāo)志位，一般稱(chēng)為應(yīng)用程序狀態(tài)寄存器（ApplicationProgramStatusRegister,APSR）。APSR的前4個(gè)代碼狀態(tài)標(biāo)志為N、Z、C、V，分別表示負(fù)數(shù)標(biāo)志、零標(biāo)志、進(jìn)位標(biāo)志和溢出標(biāo)志，當(dāng)CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的時(shí)候出現(xiàn)以上4種狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的代碼狀態(tài)標(biāo)志位就會(huì)被置位。APSR的第5位是Q標(biāo)志位，當(dāng)某個(gè)變量到達(dá)了它的上限或者下限值時(shí)，Q標(biāo)志就會(huì)被置位。顯然和32位的ARM指令集一樣，當(dāng)指令狀態(tài)和APSR里的標(biāo)志位一致時(shí)，Thumb-2指令集才能順利被執(zhí)行；否則，Thumb-2指令就被當(dāng)作NOP指令通過(guò)管道。這可以確保指令流能夠平滑地通過(guò)管道，而且避免管道遭受過(guò)多地刷新。在Cortex-M3CPU中，這種管道技術(shù)仍在程序執(zhí)行狀態(tài)寄存器（ExecutionProgramStatusRegister,EPSR）中得到了進(jìn)一步拓展。EPSR在PSR中的位置為第6～28位。EPSR包含3個(gè)分區(qū)：“ifthen”分區(qū)、“中斷可持續(xù)指令區(qū)”以及“Thumb指令區(qū)”。Thumb-2指令集對(duì)處理“ifthen”這樣的小指令模塊有一套行之有效的辦法：當(dāng)條件假設(shè)為“真”時(shí)，EPSR會(huì)置位某些位并通知CPU處理后續(xù)4條指令；相反而言，如果條件假設(shè)為“假”時(shí)，這4條指令會(huì)被當(dāng)作NOP指令通過(guò)管道。這個(gè)過(guò)程可使用C語(yǔ)言混合匯編指令描述如下：雖然大部分Thumb-2指令可以在一個(gè)周期之內(nèi)完成處理，但還是有一些指令需要多個(gè)周期才能完成執(zhí)行。所以，為了使Cortex-M3CPU有一個(gè)絕對(duì)固定的中斷響應(yīng)時(shí)間，這些多周期指令必須是可以被打斷的。當(dāng)一個(gè)多周期指令過(guò)早地被打斷時(shí)，中斷可持續(xù)指令區(qū)會(huì)將下一步將要裝載或儲(chǔ)存多周期指令的寄存器的編號(hào)保存。因此一旦中斷服務(wù)執(zhí)行完畢，多周期指令（如load/store）就可以返回執(zhí)行?！癟humb指令區(qū)”是從早期的ARMCPU上移植過(guò)來(lái)的，這個(gè)區(qū)的內(nèi)容表示當(dāng)前使用的指令集是ARM指令集還是Thumb指令集。在Cortex-M3中這一位永遠(yuǎn)都是1（因?yàn)镃ortex-M3只支持Thumb-2指令集）。PSR的最后一個(gè)區(qū)是中斷狀態(tài)區(qū)（InterruptStatusField），作用類(lèi)似8051系列單片機(jī)的中斷狀態(tài)寄存器，里面包含的內(nèi)容指示了當(dāng)前有哪些中斷服務(wù)被請(qǐng)求了。2.2.3Cortex-M3CPU的運(yùn)行模式Cortex-M3CPU擁有更低的門(mén)數(shù)，是一個(gè)快速而易用的微控制器核心，同時(shí)它也支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的運(yùn)行。Cortex-M3CPU有兩種運(yùn)行模式：線程（Thread）模式和處理（Handler）模式。CPU不處理異常事件時(shí)會(huì)運(yùn)行在Thread模式下，而當(dāng)CPU需要去處理一個(gè)異常事件時(shí)就會(huì)切換到Handler模式。此外，Cortex-M3CPU還有兩種處理代碼的方式：私有和非私有模式。在私有模式下，CPU可以執(zhí)行所有的指令。而在非私有模式下部分指令是被禁止執(zhí)行的（比如對(duì)xPSR寄存器操作的MRS和MSR指令），同時(shí)也不能對(duì)CPU的系統(tǒng)控制區(qū)中的寄存器進(jìn)行操作。此外，堆棧的使用也是可以配置的，主堆棧在Thread和Handler模式下都可以使用。通過(guò)設(shè)置，Handler模式也可以使用進(jìn)程堆棧。圖2.2.5顯示了Cortex-M3CPU兩種運(yùn)行模式的細(xì)節(jié)。圖2.2.5Cortex-M3CPU的運(yùn)行模式如圖2.2.5所示，Cortex-M3CPU在復(fù)位之后會(huì)以最開(kāi)放的方式運(yùn)行，即無(wú)論是Thread模式還是Handler模式都在私有模式下執(zhí)行，對(duì)處理器的任何資源都沒(méi)有使用限制，Thread模式和Handler模式都使用主堆棧。要開(kāi)始運(yùn)行一般應(yīng)用的C程序，用戶只需要設(shè)置好復(fù)位向量和堆棧的起始地址即可。然而，如果要使用RTOS或者開(kāi)發(fā)一個(gè)有高度安全性要求的項(xiàng)目，可以使Cortex-M3CPU進(jìn)入一種高級(jí)模式，在這種模式里，RTOS或者異常事件在Handler模式下使用私有模式運(yùn)行，并使用主堆棧；而應(yīng)用代碼在線程模式下使用非私有模式運(yùn)行，并使用進(jìn)程堆棧。這樣做的好處是，系統(tǒng)代碼和應(yīng)用代碼得以分離，這樣即便應(yīng)用代碼產(chǎn)生錯(cuò)誤也不會(huì)殃及RTOS的核心，造成整個(gè)系統(tǒng)崩潰。2.2.4Thumb-2指令集ARM7和ARM9處理器支持兩種指令集：32位ARM指令集和16位Thumb指令集。開(kāi)發(fā)人員在開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序時(shí)經(jīng)常需要在指令集的選用上煞費(fèi)心思，因?yàn)?2位指令可以提升運(yùn)行速度，而16位指令可以提升代碼密度。Cortex-M3CPU使用Thumb-2指令集，該指令集是16位和32位指令集的混合體。Thumb-2指令集相對(duì)于32位ARM指令集有26％的代碼密度提升，而相對(duì)于16位Thumb指令集則有25％的性能提升。Thumb-2指令集含有一些高級(jí)的多周期指令，它們都可以在一個(gè)周期完成執(zhí)行，但前提是CPU需要2～7個(gè)周期將其分離。Thumb-2的性能如圖2.2.6所示。圖2.2.6Thumb-2指令集性能一覽Thumb-2指令集還有：高級(jí)的分支指令（包括test和compare指令），if/then處理指令集合，為數(shù)據(jù)處理提供的字節(jié)、半字和字存取指令。Cortex-M3CPU同時(shí)還是一個(gè)RISC（精簡(jiǎn)指令集）處理器，其豐富的指令集可以和C編譯器很好的配合。除了小部分有可能用到的非ANSIC關(guān)鍵字和使用匯編語(yǔ)句編寫(xiě)的中斷向量表之外，一個(gè)典型的Cortex-M3應(yīng)用程序可以全部使用ANSIC完成。2.2.5非對(duì)齊存取接口ARM7和ARM9CPU所基于的指令集支持使用字節(jié)（8位）、半字（16位）、字（32位）和各種有符號(hào)（signed）、無(wú)符號(hào)（unsigned）變量。CPU可以很自然地處理32位整型變量，不再需要軟件的支持（典型的8位和16位單片機(jī)都需要）。然而，早期的ARM處理器也只能以“字”或者“半字”的對(duì)齊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存取。這其實(shí)浪費(fèi)了編譯器將針對(duì)程序數(shù)據(jù)體積的大小進(jìn)行優(yōu)化的能力——由于數(shù)據(jù)必須對(duì)齊存取的原因，部分寶貴的SRAM被浪費(fèi)了。此外，Cortex-M3處理器的“位帶”技術(shù)允許程序標(biāo)志位寫(xiě)入“字”或“半字”變量?jī)?nèi)部，而不是每個(gè)標(biāo)志位都占用1字節(jié)的空間（如1個(gè)32位“字”數(shù)據(jù)通過(guò)“位帶”技術(shù)可以存放32個(gè)標(biāo)志位，這樣可節(jié)省大量空間）。因此，對(duì)齊存儲(chǔ)方式將這種浪費(fèi)進(jìn)一步地放大了。圖2.2.7顯示了非對(duì)齊和對(duì)齊存儲(chǔ)方式之間的區(qū)別。圖2.2.7非對(duì)齊（左）與對(duì)齊（右）存儲(chǔ)方式對(duì)比Cortex-M3CPU同樣可以實(shí)現(xiàn)“字”以及“半字”對(duì)齊的方式尋址，但它還可以使用非對(duì)齊存取方式。這賦予了編譯鏈接器在將程序數(shù)據(jù)編譯鏈接時(shí)的最大“自由”。2.3Cortex-M3處理器——不只是個(gè)處理器2.3.1總線Cortex-M3處理器基于哈佛結(jié)構(gòu)體系，擁有獨(dú)立的地址總線和數(shù)據(jù)總線，分別稱(chēng)為I-Code總線和D-Code總線。這兩條總線都可以在0x00000000～0x1FFFFFFF范圍內(nèi)存取代碼和數(shù)據(jù)。Cortex-M3處理器還有一條額外的系統(tǒng)總線用以存取位于0x20000000～0xDFFFFFFFF和0xE0100000～0xFFFFFFFF地址范圍內(nèi)的Cortex-M3系統(tǒng)控制區(qū)。而Cortex-M3處理器的片上調(diào)試系統(tǒng)則使用一條私有設(shè)備總線來(lái)連接。2.3.2總線矩陣Cortex-M3處理器的系統(tǒng)總線和數(shù)據(jù)總線通過(guò)一系列高速總線陣列組成的總線矩陣和外部控制器連接，這樣就可以在Cortex-M3處理器的內(nèi)部總線和外部總線之間建立一些并行通道，比如從DMA到片上SRAM或者外設(shè)。如果兩個(gè)總線主機(jī)（比如Cortex-M3CPU和DMA單元）同時(shí)嘗試連接同一個(gè)設(shè)備，Cortex-M3處理器內(nèi)部的仲裁機(jī)構(gòu)會(huì)解決此類(lèi)沖突問(wèn)題，優(yōu)先級(jí)高的總線主機(jī)會(huì)取得總線的控制權(quán)。然而，對(duì)STM32控制器而言，DMA單元被嵌入到了Cortex-M3CPU中，下文在講述DMA單元的運(yùn)行機(jī)制時(shí)會(huì)闡述到這部分情況。2.3.3存儲(chǔ)映射Cortex-M3處理器是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的微控制器核心，其固定的存儲(chǔ)映射方案就是標(biāo)準(zhǔn)化的一個(gè)表現(xiàn)。盡管Cortex-M3處理器擁有多重內(nèi)部總線，但其存儲(chǔ)區(qū)仍然是一個(gè)線性的4GB地址空間。圖2.3.1顯示了Cortex-M3處理器內(nèi)部的存儲(chǔ)映射情況。圖2.3.1存儲(chǔ)區(qū)和映射方案如圖2.3.1所示，存儲(chǔ)區(qū)最開(kāi)始的1GB空間分別為Code（代碼）區(qū)和SRAM（靜態(tài)內(nèi)存）區(qū)。Code區(qū)使用經(jīng)過(guò)針對(duì)性?xún)?yōu)化的I-Code總線來(lái)連接。同理，SRAM區(qū)使用D-Code總線連接。雖然SRAM也可以用來(lái)裝載和執(zhí)行代碼，但這樣做會(huì)使CPU不得不通過(guò)系統(tǒng)總線來(lái)取指令，產(chǎn)生額外的CPU等待周期，因此在SRAM中運(yùn)行代碼會(huì)比在代碼區(qū)的片上Flash中運(yùn)行要緩慢。接下來(lái)的0.5GB存儲(chǔ)空間是片上外設(shè)區(qū)。微控制器的所有用戶設(shè)備的基地址都落在這個(gè)區(qū)域內(nèi)。片上外設(shè)區(qū)和SRAM區(qū)的起始1MB區(qū)域可以使用位帶技術(shù)實(shí)現(xiàn)位尋址。由于STM32所有的SRAM和外設(shè)都位于這個(gè)區(qū)域，因此STM32所有的存儲(chǔ)區(qū)域都可以用“字（word）”或“位（bit）”為最小單位實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)操作。隨后的2GB地址空間是拓展外部SRAM和外部設(shè)備用的。最后的0.5GB是Cortex-M3處理器內(nèi)部設(shè)備區(qū)，其中一部分為生產(chǎn)商將來(lái)對(duì)Cortex-M3處理器增加特殊功能而留。所有使用Cortex-M3內(nèi)核的微控制器，其Cortex-M3處理器的寄存器都位于同一地址處。這使得應(yīng)用代碼可以更加容易地在不同型號(hào)的Cortex-M3器件之間，甚至是在基于Cortex-M3核心的不同品牌的微控制器之間進(jìn)行移植。一旦學(xué)會(huì)使用一種Cortex-M3控制器、一套開(kāi)發(fā)工具就可以積累大量可重復(fù)使用的代碼，并可以在眾多基于Cortex-M3內(nèi)核的微控制器上使用。2.3.4位帶的概念早期的ARM7和ARM9處理器使用“&（與）”、“|（或）”指令來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)SRAM區(qū)或者外設(shè)存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行位操作。這是一個(gè)“讀→修改→寫(xiě)”的過(guò)程，如圖2.3.2所示。由此為了實(shí)現(xiàn)單個(gè)的位操作將會(huì)耗費(fèi)數(shù)個(gè)時(shí)鐘周期，并增加了代碼量。圖2.3.2傳統(tǒng)位操作方式為了克服這一限制，有必要引入一種專(zhuān)用的位操作指令，或者一種完整的布爾過(guò)程，但這會(huì)增加Cortex-M3CPU的尺寸和復(fù)雜度。取而代之的做法是，Cortex-M3處理器引入了一種稱(chēng)為“位帶”的技術(shù)以實(shí)現(xiàn)設(shè)備區(qū)和SRAM存儲(chǔ)空間的位操作，而不需要任何特殊的指令。Cortex-M3系列處理器的可位尋址區(qū)由位帶區(qū)（即SRAM的起始1MB空間或外設(shè)寄存器區(qū)）和2個(gè)大小為32MB的位帶別名區(qū)組成。位帶技術(shù)將位帶區(qū)的每一位映射到對(duì)應(yīng)的位帶別名區(qū)。因此，用戶只要對(duì)位帶別名區(qū)進(jìn)行字操作就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)內(nèi)存的位操作。圖2.3.3顯示了位帶區(qū)的奧秘所在。圖2.3.3位帶存儲(chǔ)映射位帶技術(shù)允許用戶在不加入任何特殊指令的前提下實(shí)現(xiàn)位操作，同時(shí)仍然保持了Cortex-M3CPU尺寸的小巧性。在實(shí)際應(yīng)用中，要對(duì)一個(gè)外設(shè)寄存器或者SRAM進(jìn)位操作時(shí)，需要計(jì)算與其對(duì)應(yīng)的位帶別名區(qū)中的地址。可以使用以下公式計(jì)算：位帶別名區(qū)地址＝位帶別名區(qū)基地址＋字偏移地址字偏移地址＝字節(jié)相對(duì)位帶區(qū)的偏移×0x20＋位數(shù)目×4舉個(gè)例子，若要對(duì)GPIOB的端口數(shù)據(jù)輸出寄存器（PortOutputDataRegister）的某個(gè)位進(jìn)行置位或者清除。已知GPIOB口的輸出寄存器物理地址是0x40010C0C，則通過(guò)上述公式可以計(jì)算出GPIOB的第8位（即對(duì)應(yīng)GPIOB端口的第8引腳）在位帶別名區(qū)中的地址：然后使用C語(yǔ)言以此地址定義一個(gè)指針，用來(lái)對(duì)GPIOB.08口進(jìn)行置位和清除：點(diǎn)亮LED（C語(yǔ)句）：其產(chǎn)生的匯編代碼如下：熄滅LED：其產(chǎn)生的匯編代碼如下：可以看到，無(wú)論是置位還是清除操作，都只需要3句16位指令，以STM32的72MHz頻率計(jì)算，只需要花費(fèi)80ns的時(shí)間就可以完成執(zhí)行。位帶區(qū)的設(shè)備和SRAM當(dāng)然也可以直接使用字尋址，通過(guò)傳統(tǒng)的“與”、“或”操作實(shí)現(xiàn)位操作。點(diǎn)亮LED（C語(yǔ)句）：其產(chǎn)生的匯編代碼如下：熄滅LED（C語(yǔ)句）：其產(chǎn)生的匯編代碼如下：同樣可以看到，傳統(tǒng)的置位和清除操作都混合使用了16位和32位指令，其至少要花費(fèi)14個(gè)時(shí)鐘周期，同樣以STM32的72MHz頻率計(jì)算，需要花費(fèi)180ns的時(shí)間才能完成執(zhí)行。所以通過(guò)位帶技術(shù)對(duì)寄存器和SRAM使用位操作，可以有效減小代碼量、減少代碼的運(yùn)行時(shí)間，這帶來(lái)的效率提升對(duì)小型嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是相當(dāng)可觀的。并且在絕大多數(shù)的開(kāi)發(fā)環(huán)境中，各個(gè)設(shè)備的位帶別名區(qū)地址都已經(jīng)計(jì)算定義好了，這樣又進(jìn)一步節(jié)省了開(kāi)發(fā)人員的時(shí)間。如此看來(lái)，使用位帶技術(shù)是“毫無(wú)懸念”的選擇。2.3.5系統(tǒng)節(jié)拍定時(shí)器Cortex-M3處理器還包含了一個(gè)24位的系統(tǒng)節(jié)拍定時(shí)器（SystemTicktimer,SysTick），具備自動(dòng)重載和溢出中斷功能，所有基于Cortex-M3處理器的微控制器都可以由這個(gè)定時(shí)器獲得統(tǒng)一的定時(shí)間隔。SysTick是為了給RTOS提供系統(tǒng)節(jié)拍而設(shè)的，為任務(wù)調(diào)度提供一個(gè)周期性的中斷。用戶可以在位于Cortex-M3處理器系統(tǒng)控制單元中的系統(tǒng)節(jié)拍定時(shí)器控制與狀態(tài)寄存器（SysTickControlandStatusRegister,SCSR）選擇SysTick時(shí)鐘源。如果將SCSR中的CLKSOURCE位置位，SysTick會(huì)在CPU頻率下運(yùn)行；而將CLKSOURCE位清除則SysTick會(huì)以CPU主頻的1/8頻率運(yùn)行。SysTick單元有3個(gè)寄存器，分別為SysTick控制與狀態(tài)寄存器（SysTickControlandStatusRegister）、SysTick重裝載寄存器（SysTickReloadValueRegister）和SysTick當(dāng)前計(jì)數(shù)值寄存器（SysTickCurrentValueRegister）。當(dāng)前計(jì)數(shù)值和重裝值應(yīng)該在開(kāi)始計(jì)數(shù)前設(shè)置好。SCSR中的ENABLE位用來(lái)啟動(dòng)定時(shí)器運(yùn)行，TICKINT位則用來(lái)開(kāi)啟該定時(shí)器的溢出中斷。下面介紹Cortex-M3處理器的中斷結(jié)構(gòu)，將嘗試使用SysTick產(chǎn)生一個(gè)中斷事件。2.3.6中斷處理Cortex-M3處理器相對(duì)于早期ARM處理器的一個(gè)關(guān)鍵性的進(jìn)步，就是它的中斷結(jié)構(gòu)和對(duì)異常的處理。ARM7和ARM9處理器有兩條中斷通道：快速中斷通道和通用中斷通道。任何一家芯片制造商在設(shè)計(jì)ARM微控制器時(shí)，都必須使用這兩條通道來(lái)連接它們的中斷源，很明顯這種中斷結(jié)構(gòu)不適合變化多樣的應(yīng)用。所以當(dāng)這種中斷機(jī)制在廣泛應(yīng)用的同時(shí)，其性能表現(xiàn)也在各個(gè)芯片生產(chǎn)商的手中區(qū)別開(kāi)來(lái)。ARM7和ARM9的中斷結(jié)構(gòu)存在兩個(gè)問(wèn)題。首先，它的中斷響應(yīng)時(shí)間不是絕對(duì)性的，即當(dāng)中斷產(chǎn)生時(shí)，需要中斷或者終止當(dāng)前執(zhí)行指令所需的時(shí)間是不確定的。這在許多普通應(yīng)用中不會(huì)導(dǎo)致什么問(wèn)題，但是在實(shí)時(shí)控制場(chǎng)合可是個(gè)大問(wèn)題。其次，ARM7和ARM9中斷結(jié)構(gòu)本身不支持中斷嵌套，需要通過(guò)軟件上的設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)（常見(jiàn)做法是使用匯編語(yǔ)句或者實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)）。Cortex-M3處理器的一個(gè)關(guān)鍵性的提升便是它克服了以上（ARM7和ARM9處理器的）缺點(diǎn)，為開(kāi)發(fā)人員提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的既快速又具備絕對(duì)性的中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。2.3.7嵌套中斷向量控制器嵌套中斷向量控制器（NestedVectorInterruptController,NVIC）是Cortex-M3處理器的標(biāo)準(zhǔn)配備。這意味著所有基于Cortex-M3核心的微控制器都有著相同的中斷結(jié)構(gòu)，而不再取決于芯片制造商。因此，開(kāi)發(fā)人員不必對(duì)整個(gè)中斷控制寄存器組進(jìn)行重新認(rèn)識(shí)就可以將應(yīng)用代碼和操作系統(tǒng)方便地從某個(gè)Cortex-M3控制器平臺(tái)移植到另外一個(gè)同類(lèi)平臺(tái)上。NVIC的特征之一是具有非常低的中斷延時(shí)，這也得益于Thumb-2指令集的特征：允許多周期指令（比如load和store）被打斷。而NVIC的中斷延時(shí)是絕對(duì)固定的，其具有的幾種先進(jìn)的中斷響應(yīng)特性讓NVIC對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用有著良好的支持。也如“嵌套中斷向量控制器”這個(gè)名字的含義所示，NVIC支持中斷嵌套，在STM32上可以支持16級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)。用戶可以全部使用C語(yǔ)言對(duì)NVIC進(jìn)行設(shè)置，不需要任何的宏匯編語(yǔ)言或者非ANSIC語(yǔ)言。雖然NVIC是Cortex-M3處理器的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元，但在進(jìn)行微控制器設(shè)計(jì)時(shí)，為了保持控制器的低門(mén)數(shù)，NVIC的中斷通道數(shù)量并不是固定的，控制器設(shè)計(jì)廠家可以根據(jù)需要來(lái)設(shè)定NVIC的中斷通道數(shù)。NVIC有一個(gè)非可屏蔽中斷和多達(dá)240個(gè)外部中斷通道供給外部設(shè)備連接。此外，還有額外的15個(gè)中斷源位于Cortex-M3核心內(nèi)部，用以響應(yīng)Cortex-M3核心的內(nèi)部異常。STM32的NVIC最大可擁有43個(gè)可屏蔽中斷通道。1．NVIC下的中斷進(jìn)入與退出當(dāng)一個(gè)外設(shè)請(qǐng)求中斷時(shí)，NVIC會(huì)請(qǐng)求Cortex-M3CPU響應(yīng)這個(gè)中斷。一旦CPU進(jìn)入中斷模式，它首先會(huì)將一系列寄存器壓棧。此處特別指出，壓棧的過(guò)程是由CPU中的微代碼完成的，用戶不需要在應(yīng)用代碼中加入任何壓棧指令。當(dāng)壓棧完成之后，將要跳轉(zhuǎn)的中斷服務(wù)函數(shù)的入口地址就會(huì)被指令總線讀取。從外設(shè)請(qǐng)求中斷開(kāi)始到執(zhí)行中斷服務(wù)函數(shù)的第一條指令只需要12個(gè)時(shí)鐘周期，如圖2.3.4所示。圖2.3.4中斷進(jìn)出過(guò)程被微代碼壓棧的寄存器包括程序狀態(tài)寄存器（PSR）、程序計(jì)數(shù)器（PC）以及鏈接寄存器（LR）。這些寄存器包含CPU當(dāng)前執(zhí)行的信息。此外，R0～R3寄存器也會(huì)被保存，這些寄存器往往用于參數(shù)傳遞，只有將R0～R3寄存器保存后，CPU才可以在中斷服務(wù)函數(shù)里面使用這些寄存器。最后被壓棧的還有R12寄存器，R12是一個(gè)內(nèi)部調(diào)用寄存器，當(dāng)發(fā)生函數(shù)調(diào)用語(yǔ)句時(shí)會(huì)臨時(shí)產(chǎn)生一些內(nèi)部代碼，這些代碼就會(huì)使用R12寄存器裝載。舉個(gè)例子，如果在程序中使用了堆棧檢測(cè)，則其額外產(chǎn)生的臨時(shí)代碼如果需要使用CPU寄存器的話，R12寄存器就派上用場(chǎng)了。當(dāng)中斷結(jié)束后，被打斷的后臺(tái)程序?qū)?huì)恢復(fù)，CPU通過(guò)其內(nèi)部微代碼的驅(qū)使將堆?；謴?fù)，同時(shí)（此處指同一時(shí)刻）將返回地址裝載完成中斷返回，所以后臺(tái)程序能夠在12個(gè)時(shí)鐘周期之內(nèi)恢復(fù)執(zhí)行。NVIC能夠非?？焖俚仨憫?yīng)單一的中斷，同樣也可以在高實(shí)時(shí)性要求的應(yīng)用中快速地響應(yīng)多重中斷。NVIC有幾種辦法使其能夠以最小的延時(shí)時(shí)間響應(yīng)多重中斷，而且保證最高級(jí)的中斷得以?xún)?yōu)先執(zhí)行。2．中斷嵌套NVIC允許高優(yōu)先級(jí)中斷打斷正在執(zhí)行的低級(jí)中斷。在這種情況下，正在執(zhí)行的中斷服務(wù)程序會(huì)被中止，然后經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的12個(gè)時(shí)鐘周期壓棧時(shí)間后，開(kāi)始執(zhí)行新的中斷服務(wù)程序。當(dāng)高級(jí)中斷完成執(zhí)行，堆棧會(huì)自動(dòng)彈出，低級(jí)中斷得以返回繼續(xù)執(zhí)行。3．尾鏈技術(shù)如果高級(jí)中斷正在執(zhí)行時(shí)有一個(gè)低級(jí)中斷請(qǐng)求到來(lái)，Cortex-M3處理器的NVIC使用一種“尾鏈（TailChaining）”技術(shù)確保在這兩個(gè)中斷之間得到最小的執(zhí)行延時(shí)時(shí)間，描述如下：如果兩個(gè)中斷同時(shí)請(qǐng)求，則高優(yōu)先級(jí)中斷在12個(gè)時(shí)鐘周期之后優(yōu)先執(zhí)行。但是在高級(jí)中斷服務(wù)執(zhí)行完畢之后CPU并不會(huì)返回后臺(tái)程序，棧也不會(huì)被恢復(fù)，而是將下一個(gè)最高級(jí)中斷的入口地址載入，這樣做的結(jié)果是只需要花費(fèi)6個(gè)時(shí)鐘周期就可以開(kāi)始執(zhí)行下一個(gè)中斷服務(wù)。在最后一個(gè)掛起中斷完成執(zhí)行之后，堆?；謴?fù)，CPU載入返回地址，后臺(tái)程序就會(huì)在12個(gè)周期之內(nèi)得到執(zhí)行。圖2.3.5顯示了“尾鏈”技術(shù)的細(xì)節(jié)。圖2.3.5尾鏈技術(shù)但有一種特殊情況，如果一個(gè)低優(yōu)先級(jí)中斷在某個(gè)高級(jí)中斷的返回時(shí)刻來(lái)臨（見(jiàn)圖2.3.6），則堆?；謴?fù)（POP）的操作會(huì)被忽略，堆棧指針會(huì)恢復(fù)它原來(lái)（POP之前）的值，這需要額外的6個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)裝載新中斷服務(wù)的地址。所以在這種情況下，新的中斷要得到執(zhí)行則需要7～18個(gè)時(shí)鐘周期的延時(shí)。圖2.3.6尾鏈技術(shù)的特殊情況4．晚到異常在嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中經(jīng)常會(huì)遇到一種情況，當(dāng)一個(gè)低級(jí)中斷服務(wù)在執(zhí)行時(shí)發(fā)生一個(gè)高級(jí)中斷請(qǐng)求。“晚到異?！笔侵福呒?jí)中斷請(qǐng)求在低級(jí)中斷壓棧階段發(fā)生，此時(shí)NVIC當(dāng)然會(huì)馬上轉(zhuǎn)而處理高級(jí)中斷。而原本屬于低級(jí)中斷的壓棧操作會(huì)繼續(xù)執(zhí)行，但是這個(gè)壓棧操作取代了原本高級(jí)中斷應(yīng)當(dāng)執(zhí)行的壓棧操作，這樣從高級(jí)中斷開(kāi)始請(qǐng)求到其完成壓棧操作只需要6個(gè)時(shí)鐘周期，并且在此期間CPU還完成了新中斷服務(wù)入口地址的載入。而一旦高級(jí)中斷服務(wù)完成執(zhí)行，原本的低級(jí)中斷會(huì)在尾鏈技術(shù)的支持下，在6個(gè)時(shí)鐘周期之后返回執(zhí)行。NVIC對(duì)晚到異常的處理細(xì)節(jié)如圖2.3.7所示。圖2.3.7晚到異常5．NVIC的配置與使用在使用NVIC之前用戶需要做三件事。第一，在中斷向量表為將要使用的中斷源設(shè)置好中斷向量。第二，在NVIC的寄存器中使能和設(shè)置該中斷源的優(yōu)先級(jí)。第三，還要將相應(yīng)的外部設(shè)備設(shè)置好，打開(kāi)它的中斷功能。6．中斷向量表中斷向量表從Cortex-M3處理器整個(gè)地址空間的底部開(kāi)始，然而要注意的是，它并不是從0x00000000地址開(kāi)始，而是從0x00000004地址開(kāi)始，0x00000000地址用來(lái)存放棧頂?shù)刂?。?.3.1列出了各個(gè)中斷向量的詳情。表2.3.1STM32的中斷向量表中斷向量都以4字節(jié)寬度對(duì)齊，里面存儲(chǔ)的是對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)入口地址。最開(kāi)始的15個(gè)入口供給Cortex-M3處理器的內(nèi)部異常使用，包括復(fù)位異常、非可屏蔽中斷、出錯(cuò)管理、調(diào)試異常及系統(tǒng)節(jié)拍時(shí)鐘中斷。Thumb-2指令集包含有系統(tǒng)服務(wù)調(diào)用指令，當(dāng)調(diào)用時(shí)就會(huì)產(chǎn)生異常事件。用戶外設(shè)中斷從第16個(gè)入口開(kāi)始，由芯片制造商定義這些入口所鏈接的外設(shè)。軟件方面，中斷向量表一般位于啟動(dòng)文件中，其作用是將中斷服務(wù)地址定位到內(nèi)存基地址上。以下代碼即為使用匯編語(yǔ)言組織的Cortex-M3處理器的中斷向量表。若使用C語(yǔ)言聲明一個(gè)SysTick定時(shí)器的中斷服務(wù)入口，該入口名應(yīng)與向量表所定義的標(biāo)識(shí)相吻合，SysTick定時(shí)器的中斷服務(wù)應(yīng)對(duì)應(yīng)上中斷向量表最后一行：中斷向量表和中斷服務(wù)函數(shù)定義完畢后，就可以設(shè)置NVIC來(lái)響應(yīng)SysTick定時(shí)器中斷請(qǐng)求。一般需要兩個(gè)步驟：首先設(shè)置該中斷優(yōu)先級(jí)，然后使能中斷源。Cortex-M3處理器內(nèi)部異常使用系統(tǒng)控制寄存器（SystemControlRegisters,SCR）和系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)寄存器（SystemPriorityRegisters,SPR）設(shè)置，而用戶設(shè)備中斷使用中斷請(qǐng)求寄存器（InterrptReqest,IRQ）設(shè)置。SysTick中斷屬于內(nèi)部異常，所以它通過(guò)SCR和SPR寄存器設(shè)置。部分內(nèi)部異常是永久開(kāi)啟的，包括復(fù)位中斷、非可屏蔽中斷及SysTick定時(shí)器中斷。所以用戶并不需要通過(guò)NVIC打開(kāi)SysTick中斷，只要設(shè)置好SysTick定時(shí)器的計(jì)數(shù)值同時(shí)打開(kāi)它本身的中斷控制就完成了Systick的中斷設(shè)置。其過(guò)程如下代碼描述：Cortex-M3處理器內(nèi)部異常的優(yōu)先級(jí)可以通過(guò)SPR設(shè)置。復(fù)位中斷、非可屏蔽中斷以及硬件出錯(cuò)異常的優(yōu)先級(jí)都是固定的，以此確保Cortex-M3核心總是可以返回一個(gè)已知的異常。其他異常在SPR中擁有8個(gè)位的設(shè)置區(qū)。STM32只支持16級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)，所以只需要用到8位中的4個(gè)。需要注意的是，STM32優(yōu)先級(jí)設(shè)置操作使用的是這8位中的高4位。每一個(gè)用戶外設(shè)的中斷都由IRQ模塊控制。每一個(gè)用戶外設(shè)都有一個(gè)中斷使能位，這些位都集中在兩個(gè)32位寬度的IRQ使能寄存器里。相對(duì)應(yīng)的還有IRQ失能寄存器用來(lái)禁用某個(gè)中斷源。NVIC同樣包含中斷掛起和激活寄存器（PendingandActiveRegisters），用戶可以通過(guò)這兩個(gè)寄存器檢測(cè)到中斷源的當(dāng)前狀態(tài)。圖2.3.8顯示了NVIC的中斷設(shè)置過(guò)程。圖2.3.8中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置過(guò)程N(yùn)VIC一共有60個(gè)32位優(yōu)先級(jí)寄存器。每一個(gè)寄存器被分為4個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)都是8位的寬度，并分別單獨(dú)對(duì)應(yīng)一個(gè)中斷向量，這樣可以滿足對(duì)240個(gè)中斷的優(yōu)先級(jí)支持。STM32只使用了16個(gè)區(qū)8位中的高4位來(lái)完成對(duì)16級(jí)外部中斷優(yōu)先級(jí)的支持。默認(rèn)情況下，STM32的16個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)中，0級(jí)最高，15級(jí)為最低。用戶還可以將這些優(yōu)先級(jí)設(shè)置區(qū)進(jìn)一步劃分為先占優(yōu)先級(jí)區(qū)和次占優(yōu)先級(jí)區(qū)。這種劃分雖然不會(huì)得到額外的優(yōu)先級(jí)數(shù)，但是，當(dāng)程序中使用大量的中斷向量時(shí)，可以幫助用戶更好地管理這些中斷之間的優(yōu)先級(jí)關(guān)系。先占優(yōu)先級(jí)和次占優(yōu)先級(jí)可以在應(yīng)用中斷和復(fù)位控制寄存器（ApplicationInterruptandResetControlRegister）中的PRIGROUP部分設(shè)置。表2.3.2列出了中斷優(yōu)先組的詳細(xì)情況。表2.3.2中斷優(yōu)先組詳情通過(guò)3個(gè)優(yōu)先級(jí)分組位（PRIGROUP）位可將4個(gè)優(yōu)先級(jí)設(shè)置位分為先占組和次占組。比如，PRIGROUP等于3時(shí)，劃分出來(lái)兩個(gè)組，每個(gè)組都擁有4個(gè)優(yōu)先級(jí)。用戶可以在應(yīng)用代碼里面設(shè)置高優(yōu)先級(jí)組和低優(yōu)先級(jí)組，同時(shí)在每個(gè)組內(nèi)部又可以分為低、中、高和最高優(yōu)先級(jí)。前文提到，這樣并不會(huì)使程序擁有超過(guò)16個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，但是可以讓中斷結(jié)構(gòu)變得更為直觀，這在管理數(shù)量多的中斷時(shí)會(huì)非常有用。對(duì)外部設(shè)備中斷的設(shè)置和對(duì)Cortex-M3處理器內(nèi)部異常的設(shè)置是相似的。最后以一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，說(shuō)明ADC中斷的設(shè)置過(guò)程。①首先設(shè)置中斷向量以及構(gòu)建中斷服務(wù)函數(shù)：②然后初始化ADC，打開(kāi)其中斷功能，并在NVIC中做相應(yīng)設(shè)置：2.4低功耗的新期待在這節(jié)里將介紹Cortex-M3處理器的電源管理功能。對(duì)STM32電源管理的介紹將在后面的篇幅中進(jìn)行。Cortex-M3處理器擁有睡眠模式，在該模式下，Cortex-M3內(nèi)核會(huì)保持在低功耗狀態(tài)，停止執(zhí)行指令，只有NVIC的一小部分保持喚醒狀態(tài)。STM32的外部設(shè)備通過(guò)請(qǐng)求中斷就可以將Cortex內(nèi)核喚醒。2.4.1進(jìn)入低功耗模式Cortex-M3內(nèi)核可以通過(guò)執(zhí)行WFI（WaitForInterrupt）或者WFE（WaitForEvent）指令進(jìn)入睡眠模式。如果使用WFI指令，Cortex-M3內(nèi)核會(huì)在有中斷請(qǐng)求時(shí)從睡眠狀態(tài)恢復(fù)，并執(zhí)行中斷服務(wù)。而一旦中斷服務(wù)執(zhí)行完畢，將要發(fā)生的情況有兩種可能：一是Cortex-M3CPU從中斷服務(wù)返回之后，開(kāi)始執(zhí)行后臺(tái)程序；二是如果設(shè)置了系統(tǒng)控制寄存器（SystemControlRegister）中的SLEEPONEXTI位，則Cortex-M3CPU從中斷服務(wù)返回之后會(huì)再次自動(dòng)進(jìn)入睡眠模式。這樣用戶就可以完全通過(guò)中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)Cortex-M3CPU的低功耗應(yīng)用，如“內(nèi)核被喚醒→執(zhí)行中斷服務(wù)完畢→返回睡眠模式”流程。而且，實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程所需要的代碼量是非常小的。若使用WFE指令使Cortex-M3內(nèi)核進(jìn)入睡眠模式，內(nèi)核遇到喚醒事件后就會(huì)被喚醒，并且從它進(jìn)入睡眠模式的斷點(diǎn)處恢復(fù)執(zhí)行，喚醒事件不會(huì)使CPU跳轉(zhuǎn)執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。在WFE模式下，喚醒事件可以只是簡(jiǎn)單的設(shè)備中斷事件，而不必在NVIC中開(kāi)啟對(duì)這個(gè)設(shè)備中斷的支持。這樣就允許用戶使用外部設(shè)備喚醒Cortex-M3內(nèi)核，而不必再通過(guò)中斷的方式。無(wú)論是WFI還是WFE指令都無(wú)法用C語(yǔ)言描述，但Thumb-2指令集在編譯器的支持下，可以在標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)言環(huán)境中嵌入宏匯編語(yǔ)句。如IAREWARM集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中的ICC編譯器支持通過(guò)如下格式插入?yún)R編指令：此外，除了睡眠模式之外，Cortex-M3內(nèi)核可以在微控制器的配合驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)深度睡眠模式。通過(guò)設(shè)置系統(tǒng)控制寄存器（SystemControlRegisters）中的“深度睡眠位”即可將Cortex-M3內(nèi)核引入深度睡眠狀態(tài)，此時(shí)PLL和用戶設(shè)備停止工作，微控制器此時(shí)的功率消耗將保持在極低的水平。2.4.2CoreSight調(diào)試組件每款A(yù)RM處理器都有屬于它自己的片上調(diào)試系統(tǒng)。ARM7和ARM9處理器帶有最小化的JTAG端口，允許用戶使用標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)試工具連接CPU，并能夠?qū)⒂诚裎募?xiě)入內(nèi)部RAM或者Flash存儲(chǔ)器中。JTAG端口還支持對(duì)程序進(jìn)行基本的運(yùn)行控制（比如單步運(yùn)行和斷點(diǎn)設(shè)置等），可以查看存儲(chǔ)器內(nèi)容。ARM7和ARM9處理器還向用戶提供了一個(gè)實(shí)時(shí)跟蹤組件，這個(gè)設(shè)備被稱(chēng)為嵌入式跟蹤宏單元（ETM）。但即便ARMCPU處于正常工作狀態(tài)下，上述調(diào)試工具還是有一些局限性，例如JTAG調(diào)試端口只能在CPU停止后才能向調(diào)試工具提供調(diào)試信息。由此，對(duì)該ARM系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新就成為“不可能完成的任務(wù)”。其次硬件斷點(diǎn)也被限制在2個(gè)之內(nèi)——雖然ARM7和ARM9指令集包含有斷點(diǎn)指令，用戶可以使用開(kāi)發(fā)工具將其嵌入到代碼中（習(xí)慣稱(chēng)為軟件斷點(diǎn)）。最后，要在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤，還需要芯片制造商加入額外的資源來(lái)配合使用ETM，而且結(jié)果往往也無(wú)法得到好的跟蹤效果。而Cortex-M3內(nèi)核，為用戶帶來(lái)了一個(gè)全新的調(diào)試系統(tǒng)：CoreSight。圖2.4.1為CoreSight調(diào)試系統(tǒng)的組成。圖2.4.1CoreSight調(diào)試系統(tǒng)如圖2.4.1所示，CoreSight調(diào)試系統(tǒng)擁有一個(gè)調(diào)試端口，使用戶也可以通過(guò)微控制器上的JTAG端口使用調(diào)試工具對(duì)內(nèi)核進(jìn)行鏈接。調(diào)試工具的接口可以是標(biāo)準(zhǔn)的5針JTAG接口或SWD雙線串行接口。在JTAG端口的基礎(chǔ)上，CoreSight調(diào)試系統(tǒng)包含了數(shù)據(jù)跟蹤查看器和ETM。為了支持軟件測(cè)試，CoreSight還包含內(nèi)部跟蹤設(shè)備和Flash補(bǔ)丁模塊。但STM32上的CoreSight系統(tǒng)將ETM省略掉了，由此也可以體現(xiàn)了Cortex-M3內(nèi)核的可裁剪性。STM32上的CoreSight調(diào)試系統(tǒng)向用戶提供了一個(gè)在實(shí)時(shí)性上有所增強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)JTAG調(diào)試端口。STM32的CoreSight調(diào)試系統(tǒng)支持8個(gè)硬件斷點(diǎn)，而且可以在不干預(yù)CPU運(yùn)行的情況下對(duì)斷點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置和清除。數(shù)據(jù)跟蹤查看器同樣允許開(kāi)發(fā)人員不干預(yù)CPU運(yùn)行而查看內(nèi)存的內(nèi)容。CoreSight調(diào)試系統(tǒng)在Cortex-M3內(nèi)核進(jìn)入低功耗模式或睡眠模式時(shí)，仍能保持工作狀態(tài)，這使低功耗應(yīng)用中的微控制器調(diào)試技術(shù)走進(jìn)了嶄新的世界。此外，STM32的定時(shí)器也可以在CPU停止?fàn)顟B(tài)下使用CoreSight系統(tǒng)將其停止計(jì)數(shù)，這樣用戶就可以在單步運(yùn)行代碼的同時(shí)保持定時(shí)器同步運(yùn)行。相對(duì)于早期的ARM7和ARM9控制器，CoreSight調(diào)試系統(tǒng)在相同硬件開(kāi)銷(xiāo)的情況下，顯著地提升了STM32微控制器的可實(shí)時(shí)調(diào)試能力。第3章

歡迎來(lái)到STM32的世界本章將對(duì)STM32微控制器進(jìn)行全面而深入的剖析，內(nèi)容涉及STM32的硬件設(shè)計(jì)方案、設(shè)備特性、安全特性和功耗特性等諸多方面。通過(guò)對(duì)本章的閱讀，讀者能真正地理解“STM32是什么”以及“STM32能用來(lái)做什么”這兩個(gè)主題。3.1讓STM32跑起來(lái)一個(gè)STM32的最小系統(tǒng)應(yīng)該是很“小”的。因?yàn)镾TM32內(nèi)部包含RC振蕩器和復(fù)位電路，所以要讓STM32工作起來(lái)甚至只需要為它提供一個(gè)電源。本節(jié)將講述STM32的最小系統(tǒng)需要哪些配備。3.1.1引腳分布和封裝尺寸STM32基本型和增強(qiáng)型的每個(gè)版本都有相對(duì)應(yīng)的封裝類(lèi)型，電路設(shè)計(jì)人員不需要將PCB重新設(shè)計(jì)就可以進(jìn)行STM32器件型號(hào)的更換。所有型號(hào)的STM32都有LQFP類(lèi)型的封裝，其引腳數(shù)為48～144。3.1.2電源的供應(yīng)方案如圖3.1.1所示，STM32使用單電源供電，其電壓范圍必須為2.0～3.6V，同時(shí)通過(guò)它內(nèi)部的一個(gè)電壓調(diào)整器，可以給Cortex-M3核心提供1.8V的工作電壓。STM32還有兩個(gè)可選電源的模塊：圖3.1.1STM32整體供電需求①實(shí)時(shí)時(shí)鐘和一小部分備份寄存器，它們可以在STM32進(jìn)入深度節(jié)電模式時(shí)在備份電池的支持下保持?jǐn)?shù)據(jù)不丟失。但如果STM32最小系統(tǒng)沒(méi)有使用備份電池，則VBAT引腳必須和VDD引腳相連接。②ADC模塊。如果要啟用ADC功能，則主電源VDD必須限制在2.4～3.6V。在引腳數(shù)大于（或等于）100的STM32版本型號(hào)里，ADC模塊有額外的參考電壓引腳VREF+和VREF-，則VREF-引腳必須與VDDA相連，而VREF+可以接入2.4V～VDD。在其他版本型號(hào)的STM32中，ADC的參考電壓都由內(nèi)部電壓源供給。每個(gè)電壓供應(yīng)引腳都需要一個(gè)去耦電容。STM32整體供電方案如圖3.1.2所示。圖3.1.2STM32整體供電方案3.1.3復(fù)位電路STM32微控制器含內(nèi)部復(fù)位電路，當(dāng)VDD引腳電壓小于2.0V時(shí)器件會(huì)保持在復(fù)位狀態(tài)，但是會(huì)有40mV的延遲（即復(fù)位狀態(tài)在2.0V＋40mV內(nèi)一直保持），如圖3.1.3所示。圖3.1.3STM32復(fù)位引腳電平變化過(guò)程3.1.4一個(gè)典型的STM32最小系統(tǒng)嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，STM32的外部復(fù)位電路不是必需的，但是在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段，可以在nRST引腳上連接一個(gè)簡(jiǎn)單的復(fù)位電路以便進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位。nRST還與JTAG調(diào)試端口相連，所以開(kāi)發(fā)調(diào)試工具同樣可以強(qiáng)行復(fù)位STM32控制器。圖3.1.4是一個(gè)典型的STM32最小系統(tǒng)原理圖。圖3.1.4典型的STM32最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1.5時(shí)鐘源的選擇STM32帶有內(nèi)部RC振蕩器，可以為內(nèi)部PLL（鎖相環(huán)）提供時(shí)鐘，這樣STM32依靠?jī)?nèi)部振蕩器就可以在72MHz的滿速狀態(tài)運(yùn)行。但是內(nèi)部RC振蕩器相比外部晶振來(lái)說(shuō)不夠準(zhǔn)確，同時(shí)也不夠穩(wěn)定，所以在條件允許的情況下，建議盡量使用外部時(shí)鐘源。（1）高速外部振蕩器如圖3.1.5所示，外部主時(shí)鐘源主要作為Cortex-M3處理器和STM32外設(shè)的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，一般稱(chēng)為高速外部振蕩器（HSEOSC）。它可以來(lái)源于石英／陶瓷共振體或者通過(guò)用戶提供。如果使用用戶提供的時(shí)鐘，則該時(shí)鐘波形可以是方波、正弦波或者三角波，但是必須具有50％左右的占空比，并且最大頻率不能超過(guò)25MHz。圖3.1.5STM32振蕩器電路（2）低速外部振蕩器STM32還可以使用第2個(gè)外部振蕩器，一般稱(chēng)為低速外部振蕩器（LSEOSC）。一般用于驅(qū)動(dòng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）以及窗口看門(mén)狗（IWDG）。像HSE一樣，LSE也可以使用外部晶振或者用戶自行供給；同樣用戶時(shí)鐘波形也可以是方波、三角波、正弦波，要求具有50％左右的占空比。LSE的典型頻率值為32.768kHz，因?yàn)檫@樣可以給實(shí)時(shí)時(shí)鐘提供準(zhǔn)確的時(shí)鐘頻率。雖然LSI也可以作為實(shí)時(shí)時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)源，但是它和HSI一樣不是很準(zhǔn)確，所以如果需要在設(shè)計(jì)中使用實(shí)時(shí)時(shí)鐘，則還是建議使用LSE。（3）時(shí)鐘輸出有一個(gè)GPIO引腳可以配置為STM32微控制器的時(shí)鐘輸出引腳（MCO），該引腳可以輸出頻率為內(nèi)部時(shí)鐘1/4的時(shí)鐘脈沖。3.1.6啟動(dòng)引腳和ISP編程STM32有3種啟動(dòng)方式。用戶可以通過(guò)STM32的兩個(gè)外部引腳BOOT0和BOOT1來(lái)選擇這3種啟動(dòng)方式。通過(guò)改變啟動(dòng)方式，STM32存儲(chǔ)空間的起始地址會(huì)對(duì)齊到不同的內(nèi)存空間上，這樣就可以選擇在用戶Flash、內(nèi)部SRAM或者系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)上運(yùn)行代碼。一般情況下BOOT0必須連接到GND上。如果希望使用其他啟動(dòng)方式，則需要在這兩個(gè)BOOT引腳上提供跳線設(shè)置，如圖3.1.6所示。圖3.1.6STM32啟動(dòng)方式設(shè)計(jì)BOOT引腳的一個(gè)最典型應(yīng)用就是從啟動(dòng)引導(dǎo)（Bootloader）啟動(dòng)，由此后可以進(jìn)行ISP編程，而USART1是ISP編程默認(rèn)使用的通信接口，可用來(lái)從PC端下載和燒寫(xiě)代碼，因此用戶還需要為此相應(yīng)地添加一個(gè)RS232驅(qū)動(dòng)器件。3.1.7調(diào)試端口為了讓STM32最小系統(tǒng)運(yùn)行起來(lái)，還需要硬件調(diào)試端口，這樣才可以使用調(diào)試仿真器鏈接STM32。STM32的CoreSight調(diào)試系統(tǒng)支持兩種接口標(biāo)準(zhǔn)：5針的JTAG端口和2針的SWD串行接口。這兩種接口都需要犧牲GPIO（即普通I/O口）來(lái)供給調(diào)試器仿真器使用。STM32復(fù)位之后，CPU會(huì)將這些引腳置于第2功能狀態(tài)，所以此時(shí)調(diào)試端口就已經(jīng)可以使用了。如果用戶希望使用這些引腳作為GPIO，則必須在應(yīng)用程序中將它們切換回普通I/O狀態(tài)。STM32上的5針JTAG接口一般以20針的JTAG標(biāo)準(zhǔn)調(diào)試端口引出；而2針串行接口使用GPIOA.13作為串行數(shù)據(jù)線，使用GPIOA.14作為串行時(shí)鐘線。3.2認(rèn)識(shí)真正的STM32STM32的Cortex-M3核心通過(guò)特殊的指令總線與Flash存儲(chǔ)器連接，數(shù)據(jù)總線和系統(tǒng)總線又與先進(jìn)高速總線（AdvancedHighSpeedBuses，簡(jiǎn)稱(chēng)AHB）相連。STM32的內(nèi)部SRAM和DMA單元直接與AHB總線相連，外部設(shè)備則使用兩條先進(jìn)設(shè)備總線（AdvancedPeripheralBusses，簡(jiǎn)稱(chēng)APB）連接，而每一條APB總線又都與AHB總線矩陣相連。AHB總線的工作頻率與Cortex-M3內(nèi)核一致，但AHB總線上掛著許多獨(dú)立的分頻器，通過(guò)分頻器其輸出時(shí)鐘頻率可以減至較低水平以達(dá)到較低功耗。要注意，APB2總線可以最大為72MHz頻率運(yùn)行，而APB1總線只能以最大為36MHz頻率運(yùn)行。Cortex-M3核心和DMA單元都可以成為總線上的主機(jī)。因?yàn)檎麄€(gè)STM32內(nèi)部的總線矩陣是并行結(jié)構(gòu)，所以Cortex-M3核心和DMA單元在同時(shí)申請(qǐng)連接SRAM、APB1或APB2時(shí)會(huì)發(fā)生仲裁事件。圖3.2.1表示了STM32微控制器內(nèi)部的總線結(jié)構(gòu)。圖3.2.1STM32內(nèi)部的總線結(jié)構(gòu)3.2.1存儲(chǔ)區(qū)映射雖然STM32內(nèi)部有多重總線，但是對(duì)于外界來(lái)說(shuō)它仍然只有一個(gè)大小為4GB的線性地址空間。STM32作為基于Cortex-M3內(nèi)核的微控制器，其內(nèi)部的存儲(chǔ)映射必須要遵從標(biāo)準(zhǔn)的存儲(chǔ)映射方案。如圖3.2.2中左側(cè)所示，代碼區(qū)起始地址從0x00000000開(kāi)始。片上SRAM從0x20000000開(kāi)始，所有的內(nèi)部SRAM都位于最底部的位帶區(qū)。用戶設(shè)備的存儲(chǔ)映射從0x40000000開(kāi)始，同樣所有用戶設(shè)備寄存器地址也必須位于外設(shè)位帶區(qū)。最后，Cortex-M3寄存器地址也遵從以上標(biāo)準(zhǔn)，從0xE0000000處開(kāi)始。圖3.2.2STM32存儲(chǔ)映射與啟動(dòng)方式Flash存儲(chǔ)區(qū)由三部分組成，如圖3.2.2中間部分所示。首先是用戶Flash區(qū)，從0x08000000開(kāi)始。其次是系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)，稱(chēng)為大端信息塊。系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)是一個(gè)連續(xù)的4KB大小的Flash存儲(chǔ)空間，里面存儲(chǔ)著出廠啟動(dòng)引導(dǎo)（Bootloader）。最后一個(gè)部分從0x1FFFF800開(kāi)始，為小端信息塊，含有一組可配置字節(jié)，允許用戶在此對(duì)STM32進(jìn)行一些系統(tǒng)設(shè)置。Bootloader的主要作用是允許用戶通過(guò)USART1將代碼下載進(jìn)STM32的RAM中，隨后將這些代碼寫(xiě)進(jìn)內(nèi)部用戶Flash。要將STM32置于Bootloader模式，需要把外部的BOOT0和BOOT1啟動(dòng)引腳分別置為低電平和高電平。這樣設(shè)置啟動(dòng)引腳后，系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)將占用地址0x08000000。當(dāng)STM32復(fù)位后，首先執(zhí)行Bootloader代碼而不是用戶Flash中的應(yīng)用程序。Bootloader可以從ST官方網(wǎng)站下載得到。用戶程序可