《STM32嵌入式單片機(jī)原理與應(yīng)用》 課件 第2章 STM32微控制器

第2章STM32微控制器本章對(duì)STM32微控制器進(jìn)行了概述，介紹了STM32F1系列產(chǎn)品系統(tǒng)構(gòu)架和STM32F103ZET6內(nèi)部結(jié)構(gòu)、STM32F103ZET6的存儲(chǔ)器映像、STM32F103ZET6的時(shí)鐘結(jié)構(gòu)、STM32F103VET6的引腳和STM32F103VET6最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)。2.1STM32微控制器概述STM32是意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）較早推向市場(chǎng)的基于Cortex-M內(nèi)核的微處理器系列產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品具有成本低、功耗優(yōu)、性能高、功能多等優(yōu)勢(shì)，并且以系列化方式推出，方便用戶選型，在市場(chǎng)上獲得了廣泛好評(píng)。STM32目前常用的有STM32F103～107系列，簡(jiǎn)稱“1系列”，最近又推出了高端系列STM32F4xx系列，簡(jiǎn)稱“4系列”。前者基于Cortex-M3內(nèi)核，后者基于Cortex-M4內(nèi)核。STM32F4xx系列在以下諸多方面做了優(yōu)化：（1）增加了浮點(diǎn)運(yùn)算（2）DSP處理（3）存儲(chǔ)空間更大，高達(dá)1M字節(jié)以上（4）運(yùn)算速度更高，以168MHz高速運(yùn)行時(shí)可達(dá)到210DMIPS的處理能力（5）更高級(jí)的外設(shè)，新增外設(shè)，例如，照相機(jī)接口、加密處理器、USB高速OTG接口等，提高性能，更快的通信接口，更高的采樣率，帶FIFO的DMA控制器1.先進(jìn)的內(nèi)核結(jié)構(gòu)1）哈佛結(jié)構(gòu)使其在處理器整數(shù)性能測(cè)試上有著出色的表現(xiàn)，可以達(dá)到1.25DMIPS/MHz、而功耗僅為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)置了快速的中斷控制器。提供了優(yōu)越的實(shí)時(shí)特性，中斷的延遲時(shí)間降到只需6個(gè)CPU周期，從低功耗模式喚醒的時(shí)間也只需6個(gè)CPU周期。4）單周期乘法指令和硬件除法指令。2.三種功耗控制STM32經(jīng)過特殊處理，針對(duì)應(yīng)用中三種主要的能耗要求進(jìn)行了優(yōu)化，這三種能耗需求分別是運(yùn)行模式下高效率的動(dòng)態(tài)耗電機(jī)制、待機(jī)狀態(tài)時(shí)極低的電能消耗和電池供電時(shí)的低電壓工作能力。為此，STM32提供了三種低功耗模式和靈活的時(shí)鐘控制機(jī)制，用戶可以根據(jù)自己所需要的耗電／性能要求進(jìn)行合理地優(yōu)化。3.最大程度集成整合1）STM32內(nèi)嵌電源監(jiān)控器，包括上電復(fù)位、低電壓檢測(cè)、掉電檢測(cè)和自帶時(shí)鐘的看門狗定時(shí)器，減少對(duì)外部器件的需求。2）使用一個(gè)主晶振可以驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)。低成本的4～16MHz晶振即可驅(qū)動(dòng)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，可以為內(nèi)部實(shí)時(shí)時(shí)鐘選擇32kHz的晶振。3.最大程度集成整合3）內(nèi)嵌出廠前調(diào)校好的8MHzRC振蕩電路，可以作為主時(shí)鐘源。4）針對(duì)RTC（RealTimeClock，實(shí)時(shí)時(shí)鐘）或看門狗的低頻率RC電路。5）LQPF100封裝芯片的最小系統(tǒng)只需要7個(gè)外部無源器件。因此，使用STM32可以很輕松地完成產(chǎn)品的開發(fā)。ST提供了完整、高效的開發(fā)工具和庫函數(shù)，幫助開發(fā)者縮短系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間。4.出眾及創(chuàng)新的外設(shè)STM32的優(yōu)勢(shì)來源于兩路高級(jí)外設(shè)總線，連接到該總線上的外設(shè)能以更高的速度運(yùn)行。1）USB接口速度可達(dá)12Mbit/s。2）USART接口速度高達(dá)4.5Mbit/s。3）SPI接口速度可達(dá)18Mbit/s。4）I2C接口速度可達(dá)400kHz。5）GPIO的最大翻轉(zhuǎn)頻率為18MHz。6）PWM（PulseWidthModulation，脈沖寬度調(diào)制）定時(shí)器最高可使用72MHz時(shí)鐘輸入。目前，市場(chǎng)上常見的基于Cortex-M3的MCU有意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）有限公司的STM32F103微控制器、德州儀器公司（TI）的LM3S8000微控制器和恩智浦公司（NXP）的LPC1788微控制器等，其應(yīng)用遍及工業(yè)控制、消費(fèi)電子、儀器儀表、智能家居等各個(gè)領(lǐng)域。意法半導(dǎo)體集團(tuán)于1987年6月成立，是由意大利的SGS微電子公司和法國(guó)THOMSON半導(dǎo)體公司合并而成。1998年5月，改名為意法半導(dǎo)體有限公司（ST），是世界最大的半導(dǎo)體公司之一。STM32系列微控制器的產(chǎn)品線包括高性能類型、主流類型和超低功耗類型三大類，分別面向不同的應(yīng)用，其具體產(chǎn)品系列如圖2-1所示。2.1.1STM32微控制器產(chǎn)品線圖2-1STM32產(chǎn)品線圖1.STM32F1系列（主流類型）STM32F1系列微控制器基于Cortex-M3內(nèi)核，利用一流的外設(shè)和低功耗、低壓操作實(shí)現(xiàn)了高性能，同時(shí)以可接受的價(jià)格，利用簡(jiǎn)單的架構(gòu)和簡(jiǎn)便易用的工具實(shí)現(xiàn)了高集成度，能夠滿足工業(yè)、醫(yī)療和消費(fèi)類市場(chǎng)的各種應(yīng)用需求。憑借該產(chǎn)品系列，ST公司在全球基于ARMCortex-M3的微控制器領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。本書后續(xù)章節(jié)即是基于STM32F1系列中的典型微控制器STM32F103進(jìn)行講述的。截至2016年3月，STM32F1系列微控制器包含以下5個(gè)產(chǎn)品線，它們的引腳、外設(shè)和軟件均兼容。1）STM32F100，超值型，24MHzCPU，具有電機(jī)控制和CEC功能。2）STM32F101，基本型，36MHzCPU，具有高達(dá)1MB的Flash。3）STM32F102，USB基本型，48MHzCPU，具備USBFS。4）STM32F103，增強(qiáng)型，72MHzCPU，具有高達(dá)1MB的Flash、電機(jī)控制、USB和CAN。5）STM32F105/107，互聯(lián)型，72MHzCPU，具有以太網(wǎng)MAC、CAN和USB2.0OTG。2.STM32F4系列（高性能類型）STM32F4系列微控制器基于Cortex-M4內(nèi)核，采用了意法半導(dǎo)體有限公司的90nmNVM工藝和ART加速器，在高達(dá)180MHz的工作頻率下通過閃存執(zhí)行時(shí)，其處理性能達(dá)到225DMIPS/608CoreMark。這是迄今所有基于Cortex-M內(nèi)核的微控制器產(chǎn)品所達(dá)到的最高基準(zhǔn)測(cè)試分?jǐn)?shù)。由于采用了動(dòng)態(tài)功耗調(diào)整功能，通過閃存執(zhí)行時(shí)的電流消耗范圍為STM32F401的128μA/MHz到STM32F439的260μA/MHz。截至2016年3月，STM32F4系列包括8條互相兼容的數(shù)字信號(hào)控制器（DigitalSignalController，DSC）產(chǎn)品線，是MCU實(shí)時(shí)控制功能與DSP信號(hào)處理功能的完美結(jié)合體。1）STM32F401，84MHzCPU/105DMIPS，尺寸最小、成本最低的解決方案，具有卓越的功耗效率（動(dòng)態(tài)效率系列）。2）STM32F410，100MHzCPU/125DMIPS，采用新型智能DMA，優(yōu)化了數(shù)據(jù)批處理的功耗（采用批采集模式的動(dòng)態(tài)效率系列），配備的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、低功耗定時(shí)器和DAC，為卓越的功率效率性能設(shè)立了新的里程碑（停機(jī)模式下89μA/MHz）。3）STM32F411，100MHzCPU/125DMIPS，具有卓越的功率效率、更大的SRAM和新型智能DMA，優(yōu)化了數(shù)據(jù)批處理的功耗（采用批采集模式的動(dòng)態(tài)效率系列）。4）STM32F405/415，168MHzCPU/210DMIPS，高達(dá)1MB的Flash閃存，具有先進(jìn)連接功能和加密功能。5）STM32F407/417，168MHzCPU/210DMIPS，高達(dá)1MB的Flash閃存，增加了以太網(wǎng)MAC和照相機(jī)接口。6）STM32F446，180MHzCPU/225DMIPS，高達(dá)512KB的Flash閃存，具有DualQuadSPI和SDRAM接口。7）STM32F429/439，180MHzCPU/225DMIPS，高達(dá)2MB的雙區(qū)閃存，帶SDRAM接口、Chrom-ART加速器和LCD-TFT控制器。8）STM32F427/437，180MHzCPU/225DMIPS，高達(dá)2MB的雙區(qū)閃存，具有SDRAM接口、Chrom-ART加速器、串行音頻接口，性能更高，靜態(tài)功耗更低。9）SM32F469/479，180MHzCPU/225DMIPS，高達(dá)2MB的雙區(qū)閃存，帶SDRAM和QSPI接口、Chrom-ART加速器、LCD-TFT控制器和MPI-DSI接口。3.STM32F7系列（高性能類型）STM32F7是世界上第一款基于Cortex-M7內(nèi)核的微控制器。它采用6級(jí)超標(biāo)量流水線和浮點(diǎn)單元，并利用ST的ART加速器和L1緩存，實(shí)現(xiàn)了Cortex-M7的最大理論性能－無論是從嵌入式閃存還是外部存儲(chǔ)器來執(zhí)行代碼，都能在216MHz處理器頻率下使性能達(dá)到462DMIPS/1082CoreMark。由此可見，相對(duì)于意法半導(dǎo)體以前推出的高性能微控制器，如F2、F4系列，STM32F7的優(yōu)勢(shì)就在于其強(qiáng)大的運(yùn)算性能，能夠適用于那些對(duì)于高性能計(jì)算有巨大需求的應(yīng)用，對(duì)于目前還在使用簡(jiǎn)單計(jì)算功能的可穿戴設(shè)備和健身應(yīng)用來說，將會(huì)帶來革命性的顛覆，起到巨大的推動(dòng)作用。4.STM32L1系列（超低功耗類型）STM32L1系列微控制器基于Cortex-M3內(nèi)核，采用意法半導(dǎo)體專有的超低泄漏制程，具有創(chuàng)新型自主動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)功能和5種低功耗模式，為各種應(yīng)用提供了無與倫比的平臺(tái)靈活性。STM32L1擴(kuò)展了超低功耗的理念，并且不會(huì)犧牲性能。與STM32L0一樣，STM32L1提供了動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)、超低功耗時(shí)鐘振蕩器、LCD接口、比較器、DAC及硬件加密等部件。STM32L1系列微控制器可以實(shí)現(xiàn)在1.65～3.6V范圍內(nèi)以32MHz的頻率全速運(yùn)行，其功耗參考值如下：1）動(dòng)態(tài)運(yùn)行模式，低至177μA/MHz。2）低功耗運(yùn)行模式：低至9μA。3）超低功耗模式＋備份寄存器＋RTC:900nA（3個(gè)喚醒引腳）。4）超低功耗模式＋備份寄存器：280nA（3個(gè)喚醒引腳）。除了超低功耗MCU以外，STM32L1還提供了多種特性、存儲(chǔ)容量和封裝引腳數(shù)選項(xiàng)，如32～512KBFlash存儲(chǔ)器、高達(dá)80KB的SDRAM、16KB真正的嵌入式EEPROM、48～144個(gè)引腳。為了簡(jiǎn)化移植步驟和為工程師提供所需的靈活性，STM32L1與不同的STM32F系列均引腳兼容。ST公司在推出以上一系列基于Cortex-M內(nèi)核的STM32微控制器產(chǎn)品線的同時(shí)，也制定了它們的命名規(guī)則。通過名稱，用戶能直觀、迅速地了解某款具體型號(hào)的STM32微控制器產(chǎn)品。STM32系列微控制器的名稱主要由以下幾部分組成。1.產(chǎn)品系列名STM32系列微控制器名稱通常以STM32開頭，表示產(chǎn)品系列，代表意法半導(dǎo)體基于ARMCortex-M系列內(nèi)核的32位MCU。2.產(chǎn)品類型名產(chǎn)品類型是STM32系列微控制器名稱的第二部分，通常有F（FlashMemory，通用快速閃存）、W（無線系統(tǒng)芯片）、L（低功耗低電壓，1.65～3.6V）等類型。2.1.2STM32微控制器的命名規(guī)則3.產(chǎn)品子系列名產(chǎn)品子系列是STM32系列微控制器名稱的第三部分。4.引腳數(shù)引腳數(shù)是STM32系列微控制器名稱的第四部分，通常有以下幾種：F（20pin）、G（28pin）、K（32pin）、T（36pin）、H（40pin）、C（48pin）、U（63pin）、R（64pin）、O（90pin）、V（100pin）、Q（132pin）、Z（144pin）和I（176pin）等。5.Flash存儲(chǔ)器容量Flash存儲(chǔ)器容量是STM32系列微控制器名稱的第五部分，通常以下幾種：4（16KFlash，小容量）、6（32KBFlash，小容量）、8（64KBFlash，中容量）、B（128KBFlash，中容量）、C（256KBFlash，大容量）、D（384KBFlash，大容量）、E（512KBFlash，大容量）、F（768KBFlash，大容量）、G（1MBFlash，大容量）。6.封裝方式封裝方式是STM32系列微控制器名稱的第六部分，通常有以下幾種：T（LQFP，Low-profileQuadFlatPackage，薄型四側(cè)引腳扁平封裝）、H（BGA，BallGridArray，球柵陣列封裝）、U（VFQFPN，VerythinFinepitchQuadFlatPackNo-leadpackage，超薄細(xì)間距四方扁平無鉛封裝）、Y（WLCSP，WaferLevelChipScalePackaging，晶圓片級(jí)芯片規(guī)模封裝）。7.溫度范圍溫度范圍是STM32系列微控制器名稱的第七部分，通常有以下兩種：6（－40～85℃，工業(yè)級(jí)）、7（－40～105℃，工業(yè)級(jí)）。STM32F103微控制器的命名規(guī)則如圖2-2所示。圖2-2STM32F103微控制器命名規(guī)則STM32F103xx閃存容量、封裝及型號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2-3所示。圖2-3STM32F103xx閃存容量、封裝及型號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)STM32單片機(jī)內(nèi)部資源介紹如下。（1）內(nèi)核ARM32位Cortex-M3CPU，最高工作頻率為72MHz，執(zhí)行速度為1.25DMIPS/MHz，完成32位x32位乘法計(jì)算只需用一個(gè)周期，并且硬件支持除法（有的芯片不支持硬件除法）。（2）存儲(chǔ)器片上集成32～512KB的閃存，6～64KB的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）。（3）電源和時(shí)鐘復(fù)位電路包括：2.0～3.6V的供電電源（提供I/O端口的驅(qū)動(dòng)電壓）；上電／斷電復(fù)位（POR/PDR）端口和可編程電壓探測(cè)器（PVD）；內(nèi)嵌4～16MHz的晶振；內(nèi)嵌出廠前調(diào)校8MHz的RC振蕩電路、40kHz的RC振蕩電路；供CPU時(shí)鐘的PLL鎖相環(huán)；帶校準(zhǔn)功能供RTC的32kHz晶振。（4）調(diào)試端口有SWD串行調(diào)試端口和JTAG端口可供調(diào)試用。（5）I/O端口根據(jù)型號(hào)的不同，雙向快速I/O端口數(shù)目可為26、37、51、80或112。翻轉(zhuǎn)速度為18MHz，所有的端口都可以映射到16個(gè)外部中斷向量。除了模擬輸入端口，其他所有的端口都可以接收5V以內(nèi)的電壓輸入。（6）DMA（直接內(nèi)存存取）端口支持定時(shí)器、ADC、SPI、I2C和USART等外設(shè)。（7）ADC帶有2個(gè)12位的微秒級(jí)逐次逼近型ADC，每個(gè)ADC最多有16個(gè)外部通道和2個(gè)內(nèi)部通道。2個(gè)內(nèi)部通道一個(gè)接內(nèi)部溫度傳感器，另一個(gè)接內(nèi)部參考電壓。ADC供電要求為2.4～3.6V，測(cè)量范圍為VREF-～VREF＋，VREF-通常為0V，VREF＋通常與供電電壓一樣。具有雙采樣和保持能力。（8）DACSTM32F103xC、STM32F103xD、STM32F103xE單片機(jī)具有2通道12位DAC。（9）定時(shí)器最多可有11個(gè)定時(shí)器，包括：4個(gè)16位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有4個(gè)PWM定時(shí)器或者脈沖計(jì)數(shù)器；2個(gè)16位的6通道高級(jí)控制定時(shí)器（最多6個(gè)通道可用于PWM輸出）；2個(gè)看門狗定時(shí)器，包括獨(dú)立看門狗（IWDG）定時(shí)器和窗口看門狗（WWDG）定時(shí)器；1個(gè)系統(tǒng)滴答定時(shí)器SysTick（24位倒計(jì)數(shù)器）；2個(gè)16位基本定時(shí)器，用于驅(qū)動(dòng)DAC。（10）通信端口最多可有13個(gè)通信端口，包括：2個(gè)PC端口；5個(gè)通用異步收發(fā)傳輸器（UART）端口（兼容IrDA標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)試控制）；3個(gè)SPI端口（18Mbit/s），其中IS端口最多只能有2個(gè)，CAN端口、USB2.0全速端口、安全數(shù)字輸入／輸出（SDIO）端口最多都只能有1個(gè)。（11）FSMCFSMC嵌在STM32F103xC、STM32F103xD、STM32F103xE單片機(jī)中，帶有4個(gè)片選端口，支持閃存、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）、偽靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（PSRAM）等。在微控制器選型過程中，工程師常常會(huì)陷入這樣一個(gè)困局：一方面抱怨8位/16位微控制器有限的指令和性能，另一方面抱怨32位處理器的高成本和高功耗。能否有效地解決這個(gè)問題，讓工程師不必在性能、成本、功耗等因素中做出取舍和折中？基于ARM公司2006年推出的Cortex-M3內(nèi)核，ST公司于2007年推出的STM32系列微控制器就很好地解決了上述問題。因?yàn)镃ortex-M3內(nèi)核的計(jì)算能力是1.25DMIPS/MHz，而ARM7TDMI只有0.95DMIPS/MHz。而且STM32擁有1μs的雙12位ADC，4Mbit/s的UART，18Mbit/s的SPI，18MHz的I/O翻轉(zhuǎn)速度，更重要的是，STM32在72MHz工作時(shí)功耗只有36mA（所有外設(shè)處于工作狀態(tài)），而待機(jī)時(shí)功耗只有2μA。2.1.3STM32微控制器的選型2.2STM32F1系列產(chǎn)品系統(tǒng)構(gòu)架和STM32F103ZET6內(nèi)部結(jié)構(gòu)STM32跟其他單片機(jī)一樣，是一個(gè)單片計(jì)算機(jī)或單片微控制器，所謂單片就是在一個(gè)芯片上集成了計(jì)算機(jī)或微控制器該有的基本功能部件。這些功能部件通過總線連在一起。就STM32而言，這些功能部件主要包括：Cortex-M內(nèi)核、總線、系統(tǒng)時(shí)鐘發(fā)生器、復(fù)位電路、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、中斷控制、調(diào)試接口以及各種功能部件（外設(shè)）。不同的芯片系列和型號(hào)，外設(shè)的數(shù)量和種類也不一樣，常有的基本功能部件（外設(shè)）是：輸入/輸出接口GPIO、定時(shí)／計(jì)數(shù)器TIMER/COUNTER、串行通信接口USART、串行總線I2C和SPI或I2S、SD卡接口SDIO、USB接口等。STM32F10x系列單片機(jī)基于ARMCortex-M3內(nèi)核，主要分為STM32F100xx、STM32F101xx、STM32F102xx、STM32F103xx、STM32F105xx和STM32F107xx。STM32F100xx、STM32F101xx和STM32F102xx為基本型系列，分別工作在24MHz、36MHz和48MHz主頻下。STM32F103xx為增強(qiáng)型系列，STM32F105xx和STM32F107xx為互聯(lián)型系列，均工作在72MHz主頻下。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：1）一個(gè)主晶振可以驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)，低成本的4～16MHz晶振即可驅(qū)動(dòng)CPU、USB和其他所有外設(shè)。2）內(nèi)嵌出廠前調(diào)校好的8MHzRC振蕩器，可以作為低成本主時(shí)鐘源。3）內(nèi)嵌電源監(jiān)視器，減少對(duì)外部器件的要求，提供上電復(fù)位、低電壓檢測(cè)、掉電檢測(cè)。4）GPIO：最大翻轉(zhuǎn)頻率為18MHz。5）PWM定時(shí)器：可以接收最大72MHz時(shí)鐘輸入。6）USART：傳輸速率可達(dá)4.5Mbit/s。7）ADC：12位，轉(zhuǎn)換時(shí)間最快為1μs。8）DAC：提供2個(gè)通道，12位。9）SPI：傳輸速率可達(dá)18Mbit/s，支持主模式和從模式。10）I2C：工作頻率可達(dá)400kHz。11）I2S：采樣頻率可選范圍為8～48kHz。12）自帶時(shí)鐘的看門狗定時(shí)器。13）USB：傳輸速率可達(dá)12Mbit/s。14）SDIO：傳輸速率為48MHz。STM32F1系列產(chǎn)品系統(tǒng)架構(gòu)如圖2-4所示。STM32F1系列產(chǎn)品主要由以下部分構(gòu)成：1）Cortex-M3內(nèi)核DCode總線（D-bus）和系統(tǒng)總線（S-bus）。2）通用DMA1和通用DMA2。3）內(nèi)部SRAM。4）內(nèi)部閃存存儲(chǔ)器。5）FSMC。6）AHB到APB的橋（AHB2APBx），它連接所有的APB設(shè)備。上述部件都是通過一個(gè)多級(jí)的AHB總線構(gòu)架相互連接的。2.2.1STM32F1系列產(chǎn)品系統(tǒng)架構(gòu)圖2-4STM32F1系列產(chǎn)品系統(tǒng)架構(gòu)ICode總線：該總線將Cortex-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。DCode總線：該總線將Cortex-M3內(nèi)核的DCode總線與閃存存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)接口相連接（常量加載和調(diào)試訪問）。系統(tǒng)總線：此總線連接Cortex-M3內(nèi)核的系統(tǒng)總線（外設(shè)總線）到總線矩陣，總線矩陣協(xié)調(diào)著內(nèi)核和DMA間的訪問。DMA總線：此總線將DMA的AHB主控接口與總線矩陣相連，總線矩陣協(xié)調(diào)著CPU的DCode和DMA到SRAM、閃存和外設(shè)的訪問?？偩€矩陣：總線矩陣協(xié)調(diào)內(nèi)核系統(tǒng)總線和DMA主控總線之間的訪問仲裁，仲裁采用輪換算法。總線矩陣包含4個(gè)主動(dòng)部件（CPU的DCode、系統(tǒng)總線、DMA1總線和DMA2總線）和4個(gè)被動(dòng)部件（閃存存儲(chǔ)器接口、SRAM、FSMC和AHB2APB橋）。

AHB外設(shè)通過總線矩陣與系統(tǒng)總線相連，允許DMA訪問。AHB/APB橋（APB）：兩個(gè)AHB/APB橋在AHB和兩個(gè)APB總線間提供同步連接。APB1操作速度限于36MHz，APB2操作于全速（最高72MHz）。上述模塊由AMBA（AdvancedMicrocontrollerBusArchitecture）總線連接到一起。AMBA總線是ARM公司定義的片上總線，已成為一種流行的工業(yè)片上總線標(biāo)準(zhǔn)。它包括AHB（AdvancedHighperformanceBus）和APB（AdvancedPeripheralBus），前者作為系統(tǒng)總線，后者作為外設(shè)總線。為更加簡(jiǎn)明地理解STM32單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)圖2-4進(jìn)行抽象簡(jiǎn)化后如圖2-5所示，這樣對(duì)初學(xué)者的學(xué)習(xí)理解會(huì)更加方便些。

為更加簡(jiǎn)明地理解STM32單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)圖2-4進(jìn)行抽象簡(jiǎn)化后如圖2-5所示，這樣對(duì)初學(xué)者的學(xué)習(xí)理解會(huì)更加方便些。

圖2-5STM32F1系列產(chǎn)品系統(tǒng)架構(gòu)現(xiàn)結(jié)合圖2-5對(duì)STM32的基本原理做一簡(jiǎn)單分析，主要包括以下內(nèi)容。（1）程序存儲(chǔ)器、靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、所有的外設(shè)都統(tǒng)一編址，地址空間為4GB。但各自都有固定的存儲(chǔ)空間區(qū)域，使用不同的總線進(jìn)行訪問。（2）可將Cortex-M3內(nèi)核視為STM32的“CPU”，程序存儲(chǔ)器、靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、所有的外設(shè)均通過相應(yīng)的總線再經(jīng)總線矩陣與之相接。Cortex-M3內(nèi)核控制程序存儲(chǔ)器、靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、所有外設(shè)的讀寫訪問。（3）STM32的功能外設(shè)較多，分為高速外設(shè)、低速外設(shè)兩類，各自通過橋接再通過AHB系統(tǒng)總線連接至總線矩陣，從而實(shí)現(xiàn)與Cortex-M3內(nèi)核的接口。（4）STM32的系統(tǒng)時(shí)鐘均由復(fù)位與時(shí)鐘控制器RCC產(chǎn)生，它有一整套的時(shí)鐘管理設(shè)備，由它為系統(tǒng)和各種外設(shè)提供所需的時(shí)鐘以確定各自的工作速度。根據(jù)程序存儲(chǔ)容量，ST芯片分為三大類：LD（小于64KB），MD（小于256KB），HD（大于256KB），而STM32F103ZET6類型屬于第三類，它是STM32系列中的一個(gè)典型型號(hào)。STM32F103ZET6的內(nèi)部架構(gòu)如圖2-6所示。STM32F103ZET6包含以下特性。1）內(nèi)核。①ARM32位的Cortex-M3CPU，最高72MHz工作頻率，在存儲(chǔ)器的0等待周期訪問時(shí)可達(dá)1.25DMips/MHz（Dhrystone2.1）。②單周期乘法和硬件除法。

2.2.2STM32F103ZET6的內(nèi)部架構(gòu)2）存儲(chǔ)器。①512KB的閃存程序存儲(chǔ)器。②64KB的SRAM。③帶有4個(gè)片選信號(hào)的靈活的靜態(tài)存儲(chǔ)器控制器，支持CompactFlash、SRAM、PSRAM、NOR和NAND存儲(chǔ)器。3）LCD并行接口，支持8080/6800模式。4）時(shí)鐘、復(fù)位和電源管理。①芯片和I/O引腳的供電電壓為2.0～3.6V。②上電／斷電復(fù)位（POR/PDR）、可編程電壓監(jiān)測(cè)器（PVD）。③4～16MHz晶體振蕩器。④內(nèi)嵌經(jīng)出廠調(diào)校的8MHz的RC振蕩器。⑤內(nèi)嵌帶校準(zhǔn)的40kHz的RC振蕩器。

⑥帶校準(zhǔn)功能的32kHzRTC振蕩器。5）低功耗。①支持睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式。②VBAT為RTC和后備寄存器供電。6）3個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），lμs轉(zhuǎn)換時(shí)間（多達(dá)16個(gè)輸入通道）。①轉(zhuǎn)換范圍：0～3.6V。②采樣和保持功能。③溫度傳感器。7）2個(gè)12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。8）DMA。①12通道DMA控制器。②支持的外設(shè)包括：定時(shí)器、ADC、DAC、SDIO、I2S、SPI、I2C和USART。

9）調(diào)試模式。①串行單線調(diào)試（SWD）和JTAG接口。②Cortex-M3嵌入式跟蹤宏單元（ETM）。10）快速I/O端口（PA～PG）。多達(dá)7個(gè)快速I/O端口，每個(gè)端口包含16根I/O口線，所有1/0口可以映像到16個(gè)外部中斷；幾乎所有端口均可容忍5V信號(hào)。11）多達(dá)11個(gè)定時(shí)器。①4個(gè)16位通用定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有多達(dá)4個(gè)用于輸入捕獲／輸出比較/PWM或脈沖計(jì)數(shù)的通道和增量編碼器輸入。②2個(gè)16位帶死區(qū)控制和緊急剎車，用于電機(jī)控制的PWM高級(jí)控制定時(shí)器。

③2個(gè)看門狗定時(shí)器（獨(dú)立看門狗定時(shí)器和窗口看門狗定時(shí)器）。④系統(tǒng)滴答定時(shí)器：24位自減型計(jì)數(shù)器。⑤2個(gè)16位基本定時(shí)器用于驅(qū)動(dòng)DAC。12）多達(dá)13個(gè)通信接口。①2個(gè)IC接口（支持SMBus/PMBus）。②5個(gè)USART接口（支持ISO7816接口、LIN、IrDA兼容接口和調(diào)制解調(diào)控制）。③3個(gè)SPI接口（18M位／秒），2個(gè)帶有PS切換接口。④1個(gè)CAN接口（支持2.0B協(xié)議）。⑤1個(gè)USB2.0全速接口。⑥1個(gè)SDIO接口。

13）CRC計(jì)算單元，96位的芯片唯一代碼。14）LQFP144封裝形式。15）工作溫度：－40℃～＋105℃。以上特性，使得STM32F103ZET6非常實(shí)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用控制、醫(yī)療和手持設(shè)備、PC和游戲外設(shè)、GPS平臺(tái)、工業(yè)應(yīng)用、PLC、逆變器、打印機(jī)、掃描儀、報(bào)警系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等領(lǐng)域。

圖2-6STM32F103ZET6的內(nèi)部架構(gòu)2.3STM32F103ZET6的存儲(chǔ)器映像STM32F103ZET6的存儲(chǔ)器映像如圖2-7所示。圖2-7STM32F103ZET6的存儲(chǔ)器映像程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、寄存器和輸入／輸出端口被組織在同一個(gè)4GB的線性地址空間內(nèi)。可訪問的存儲(chǔ)器空間被分成8個(gè)主要的塊，每塊為512MB。數(shù)據(jù)字節(jié)以小端格式存放在存儲(chǔ)器中。一個(gè)字中的最低地址字節(jié)被認(rèn)為是該字的最低有效字節(jié)，而最高地址字節(jié)是最高有效字節(jié)。STM32F103ZET6中內(nèi)置外設(shè)的地址范圍如書中表2-1所示。

2.3.1STM32F103ZET6內(nèi)置外設(shè)的地址范圍STM32F103ZET6內(nèi)置64KB的靜態(tài)SRAM。它可以以字節(jié)、半字（16位）或字（32位）訪問。SRAM的起始地址是0x20000000。Cortex-M3存儲(chǔ)器映像包括兩個(gè)位帶區(qū)。這兩個(gè)位帶區(qū)將別名存儲(chǔ)器區(qū)中的每個(gè)字映射到位帶存儲(chǔ)器區(qū)的一個(gè)位，在別名存儲(chǔ)區(qū)寫入一個(gè)字具有對(duì)位帶區(qū)的目標(biāo)位執(zhí)行讀－改寫操作的相同效果。在STM32F103ZET6中，外設(shè)寄存器和SRAM都被映射到位帶區(qū)里，允許執(zhí)行位帶的寫和讀操作。

2.3.2嵌入式SRAM高達(dá)512KB閃存存儲(chǔ)器，由主存儲(chǔ)塊和信息塊組成：主存儲(chǔ)塊容量為64Kx64位，每個(gè)存儲(chǔ)塊劃分為256個(gè)2KB的頁。信息塊容量為258x64位。閃存模塊的組織如表2-2所示。2.3.3嵌入式閃存表2-2閃存模塊的組織模塊名稱地址大小/B主存儲(chǔ)塊頁00x08000000~0x080007FF2K頁10x08000800~0x08000FFF2K頁20x08001000~0x080017FF2K頁30x08001800~0x08001FFF2K.........頁2550x0807F800~0x0807FFFF2K信息塊系統(tǒng)存儲(chǔ)器0x1FFFF000~0x1FFFF7FF2K選擇字節(jié)0x1FFFF800~0x1FFFF80F16閃存存儲(chǔ)器接口寄存器FLASH_ACR0x40022000~0x400220034FLASH_KEYR0x40022004~0x400220074FLASH_OPTKEYR0x40022008~0x4002200B4FLASH_SR0x4002200C~0x4002200F4FLASH_CR0x40022010~0x400220134FLASH_AR0x40022014~0x400220174保留0x40022018~0x4002201B4FLASH_OBR0x4002201C~0x4002201F4FLASH_WRPR0x40022020~0x400220234閃存存儲(chǔ)器接口的特性為：1）帶預(yù)取緩沖器的讀接口（每字為2x64位）。2）選擇字節(jié)加載器。3）閃存編程／擦除操作。4）訪問／寫保護(hù)。閃存的指令和數(shù)據(jù)訪問是通過AHB總線完成的。預(yù)取模塊通過ICode總線讀取指令。仲裁作用在閃存接口，并且DCode總線上的數(shù)據(jù)訪問優(yōu)先。讀訪問可以有以下配置選項(xiàng)。1）等待時(shí)間：可以隨時(shí)更改的用于讀取操作的等待狀態(tài)的數(shù)量。

2）預(yù)取緩沖區(qū)（2個(gè)64位）：在每一次復(fù)位以后被自動(dòng)打開，由于每個(gè)緩沖區(qū)的大?。?4位）與閃存的帶寬相同，因此只通過需一次讀閃存的操作即可更新整個(gè)級(jí)中的內(nèi)容。由于預(yù)取緩沖區(qū)的存在，CPU可以工作在更高的主頻。CPU每次取指最多為32位的字，取一條指令時(shí)，下一條指令已經(jīng)在緩沖區(qū)中等待。

2.4STM32F103ZET6的時(shí)鐘結(jié)構(gòu)STM32系列微控制器中，有5個(gè)時(shí)鐘源，分別是高速內(nèi)部時(shí)鐘（HighSpeedInternal.HSI）、高速外部時(shí)鐘（HighSpeedExternal，HSE）、低速內(nèi)部時(shí)鐘（LowSpeedInternal.LSD、低速外部時(shí)鐘（LowSpeedExternal，LSE）、鎖相環(huán)倍頻輸出（PhaseLockedLoop.PLL）。STM32F103ZET6的時(shí)鐘系統(tǒng)呈樹狀結(jié)構(gòu)，因此也稱為時(shí)鐘樹。STM32處理器因?yàn)榈凸牡男枰?，各模塊需要分別獨(dú)立開啟時(shí)鐘。因此，當(dāng)需要使用某個(gè)外設(shè)模塊時(shí)，務(wù)必要先使能對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘。否則，這個(gè)外設(shè)不能工作。STM32時(shí)鐘樹如圖2-8所示。圖2-8STM32時(shí)鐘樹1.HSE時(shí)鐘高速外部時(shí)鐘信號(hào)（HSE）可以由外部晶體／陶瓷諧振器產(chǎn)生，也可以由用戶外部產(chǎn)生。一般采用外部晶體／陶瓷諧振器產(chǎn)生HSE時(shí)鐘。在OSC_IN和OSC_OUT引腳之間連接4～16MHz外部振蕩器為系統(tǒng)提供精確的主時(shí)鐘。為了減少時(shí)鐘輸出的失真和縮短啟動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間，晶體／陶瓷諧振器和負(fù)載電容器必須盡可能地靠近振蕩器引腳。負(fù)載電容值必須根據(jù)所選擇的振蕩器來調(diào)整。2.HSI時(shí)鐘HSI時(shí)鐘信號(hào)由內(nèi)部8MHz的RC振蕩器產(chǎn)生，可直接作為系統(tǒng)時(shí)鐘或在2分頻后作為PLL輸入。HSIRC振蕩器能夠在不需要任何外部器件的條件下提供系統(tǒng)時(shí)鐘。它的啟動(dòng)時(shí)間比HSE晶體振蕩器短。然而，即使在校準(zhǔn)之后它的時(shí)鐘頻率精度仍較差。如果HSE晶體振蕩器失效，HSI時(shí)鐘會(huì)被作為備用時(shí)鐘源。3.PLL內(nèi)部PLL可以用來倍頻HSIRC的輸出時(shí)鐘或HSE晶體輸出時(shí)鐘。PLL的設(shè)置（選擇HSI振蕩器除2或HSE振蕩器為PLL的輸入時(shí)鐘，和選擇倍頻因子）必須在其被激活前完成。一旦PLL被激活，這些參數(shù)就不能被改動(dòng)。如果需要在應(yīng)用中使用USB接口，PLL必須被設(shè)置為輸出48或72MHz時(shí)鐘，用于提供48MHz的USBCLK時(shí)鐘。4.LSE時(shí)鐘LSE晶體是一個(gè)32.768kHz的低速外部晶體或陶瓷諧振器。它為實(shí)時(shí)時(shí)鐘或者其他定時(shí)功能提供一個(gè)低功耗且精確的時(shí)鐘源。5.LSI時(shí)鐘LSIRC擔(dān)當(dāng)著低功耗時(shí)鐘源的角色，它可以在停機(jī)和待機(jī)模式下保持運(yùn)行，為獨(dú)立看門狗和自動(dòng)喚醒單元提供時(shí)鐘。LSI時(shí)鐘頻率大約40kHz（在30kHz和60kHz之間）。6.系統(tǒng)時(shí)鐘（SYSCLK）選擇系統(tǒng)復(fù)位后，HSI振蕩器被選為系統(tǒng)時(shí)鐘。當(dāng)時(shí)鐘源被直接或通過PLL間接作為系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)，它將不能被停止。只有當(dāng)目標(biāo)時(shí)鐘源準(zhǔn)備就緒了（經(jīng)過啟動(dòng)穩(wěn)定階段的延遲或PLL穩(wěn)定），從一個(gè)時(shí)鐘源到另一個(gè)時(shí)鐘源的切換才會(huì)發(fā)生。在被選擇時(shí)鐘源沒有就緒時(shí)，系統(tǒng)時(shí)鐘的切換不會(huì)發(fā)生。直至目標(biāo)時(shí)鐘源就緒，才發(fā)生切換。7.RTC時(shí)鐘通過設(shè)置備份域控制寄存器（RCC_BDCR）里的RTCSEL［1:0］位，RTCCLK時(shí)鐘源可以由HSE/128、LSE或LSI時(shí)鐘提供。除非備份域復(fù)位，此選擇不能被改變。LSE時(shí)鐘在備份域里，但HSE和LSI時(shí)鐘不是。因此：1）如果LSE被選為RTC時(shí)鐘，只要VBAT維持供電，盡管VDD供電被切斷，RTC仍可繼續(xù)工作。2）LSI被選為自動(dòng)喚醒單元（AWU）時(shí)鐘時(shí)，如果切斷VDD供電，不能保證AWU的狀態(tài)。3）如果HSE時(shí)鐘128分頻后作為RTC時(shí)鐘，VDD供電被切斷或內(nèi)部電壓調(diào)壓器被關(guān)閉（1.8V域的供電被切斷）時(shí)，RTC狀態(tài)不確定。必須設(shè)置電源控制寄存器的DPB位（取消后備區(qū)域的寫保護(hù)）為1。8.看門狗時(shí)鐘如果獨(dú)立看門狗已經(jīng)由硬件選項(xiàng)或軟件啟動(dòng)，LSI振蕩器將被強(qiáng)制在打開狀態(tài)，并且不能被關(guān)閉。在LSI