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[嵌入式]STM32G431介绍

前言

一、芯片简介

在这里插入图片描述

1.家族
STM32：32代表32位MCU，有32根地址线，可以寻找4GB的地址

STC15单片机是8位CPU，地址以16进制表示:0x_ _ ;
STM32: 0x_ _ _ _ _ _ _ _

容量为 2^32 = 4,294,967,296 ≈ 4×10^9 (其中 1GB = 10^9)

2.产品类别
G: 支持DSP和FPU指令的可适用信号应用

像正点原子的F4，F：基础型，通用型

3.特点功能
103 : STM32基础型
407：高性能，带DSP和FPU
431: 未知

4.引脚数
R : 64位引脚

5.闪存容量
B: 128K

6.封装
T：QFP封装

二、Cortex-M内核

整个芯片的组成
在这里插入图片描述

芯片由两大部分组成的：Cortex-M内核（ARM公司设计的部分） + 外设资源（芯片制造商设计的部分）

在这里插入图片描述
Cortex-M家族有一系列的处理器，STM32F103内部使用的是Cortex-M3内核，STM32G431内部使用的是Cortex-M4内核，M4比M3多了DSP信号处理和FPU浮点运算单元

M3内核架构简化视图
在这里插入图片描述
NVIC：向量中断控制器，负责中断控制以及中断处理事务

取指令单元：取指执行，通过总线将程序从程序存储器（128K闪存）取出，交给解码器

解码器：指令解码

ALU: 算术逻辑单元, 是中央处理器(CPU)的执行单元，是所有中央处理器的核心组成部分，由"And Gate"（与门）和"Or Gate"（或门）构成的算术逻辑单元，主要功能是进行二位元的算术运算

自带追踪接口和调试系统

存储逻辑运算的结果放在寄存器组中
在这里插入图片描述
想要深入学习寄存器组的作用，参考这一篇：M3/M4内核基础

三、芯片内部结构

1.外设资源

STM32G4系列控制器参考手册：查看开发板外设的资源和资源的数量
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

2.内部模块框图

STM32G431RB数据手册：查看外设所对应的时钟总线
在这里插入图片描述

GPIO(A-G) : 挂载在AHB2时钟总线上
定时器1，8，15，16，17 ： APB2
定时器2，3，4，I2C: APB1
AHB1分为 APB1和APB2时钟总线
在这里插入图片描述

3.时钟树

STM32G4系列微控制器参考手册：查看时钟树
在这里插入图片描述
时钟树：

STM32的时钟源主要有：内部时钟、外部时钟、锁相环倍频输出时钟。内部时钟、外部时钟又分为告诉高速、低速时钟

系统时钟有三种来源：高速外部时钟(4-48Mhz)，高速内部时钟(16 Mhz), PLL锁相环倍频输出时钟

PLL锁相环时钟来源有两种HSE和HSI，经过倍频输出
在这里插入图片描述
OSC_IN 和OSC_OUT对应PF0,PF1时钟输入引脚

配置时钟：

1.在CubeMX中配置RCC选择外部时钟HSE,对应引脚起作用
在这里插入图片描述
2.倍频设置

将外部时钟设置为24Mhz，经过三分频变为8Mhz, 经过锁相环乘20除以2，变为80Mhz, 将系统时钟来源选择PLLCLK , 系统时钟就是80Mhz, 再一分频得到AHB总线时钟，最终得到外设时钟。

对应代码

void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

  /** Configure the main internal regulator output voltage
  */
  HAL_PWREx_ControlVoltageScaling(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE1);
  /** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
  * in the RCC_OscInitTypeDef structure.
  */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE; // 选择来源
  RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON; // 开启时钟
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
  // 倍频设置
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = RCC_PLLM_DIV3;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 20;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV2;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = RCC_PLLQ_DIV2;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLR = RCC_PLLR_DIV2;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  /** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks
  */
  // 由系统时钟得到对应总线的时钟
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

在STM32G431内部结构中，各个模块都是通过总线相连接。Cortex-M4内核相当于心脏，最高频率可达170MHz，它通过总线AHB进行数据交换，AHB分为AHB1和AHB2，AHB1又分为APB1和APB2
在这里插入图片描述

4.存储空间

查看内存映射地址：STM32G4系列微控制器参考手册
在这里插入图片描述
内存映射:

内存映射分左、右两侧, 左侧是各个资源地址的大致分化，右侧是对左侧的细化
(1)Flash（闪存）
Flash：程序存储器，存储代码的地方起始地址：0x0800 0000

从地址 0x0800 0000 到 0x0808 0000 ，( 8 0000 )16进制 = ( 524288 )10进制，Flash memory被分配到的空间有 524KB 大小，远大于它本身的 128KB

(2)RAM
RAM: 随机存储器，用于存储数据，起始地址：0x2000 0000

RAM分为：SRAM和DRAM

1.SRAM：静态RAM（S指的static），静态指的不需要刷新电路，数据不会丢失，SRAM速度非常快，是目前读写最快的存储设备

2.DRAM：动态RAM（D指的dynamic），动态指的每隔一段时间就要刷新一次数据，才能保存数据，速度也比SRAM慢，不过它比任何的ROM都要快

(3)外设
外设：APB1、APB2、AHB1、AHB2 起始地址：0x4000 0000

小结：

外设起始地址为 0x4000 0000
SRAM起始地址为 0x2000 0000
Flash起始地址为 0x0800 0000

详细的外设地址（在上一页的下一页）
在这里插入图片描述
可以依据蓝色字体查看外设对应寄存器分配地址

四、BOOT启动

STM32上电启动后，程序代码从最底层地址0x0000 0000 开始运行
在这里插入图片描述
前面知道代码存储在 Flash地址0x0800 0000 中，如何让 0x0000 0000 运行的是 0x0800 0000 中的代码？存储器地址重映射: 将 0x0800 0000 中的代码映射到 0x0000 0000 中

映射还可以将SRAM, System memory 等地址映射到0X0000 0000处
在这里插入图片描述

映射方式的选择由BOOT1,BOOT0决定
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STM32G431由于BOOT0接地，所以采用的是从flash启动

所以，单片机程序执行顺序
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
中断向量表: 嵌套向量中断控制器(Nested Vectored Interrupt Controller),STM32向量中断统一由NVIC管理， NVIC的核心功能：中断优先级分组、中断优先级的配置、读中断请求标志、清除中断请求标志、使能中断、清除中断等，外部中断信号从核外发出，信号最终要传递到NVIC(嵌套向量中断控制器)。NVIC跟内核紧密耦合，它控制着整个芯片中断的相关功能
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DCD表示开辟一个字空间，后边的为函数名称，函数入口地址

1.存储堆栈指针位置：先获取堆栈指针位置，告诉CPU，中间变量存储再SRAM中, 从下图可以看到首先获取堆栈指针，然后就跳转到复位中断函数
在这里插入图片描述
注：按照目录的排列顺序进行检索，并执行目录中地址所指向的函数

2.复位中断函数入口地址：CPU执行到这里，下一步跳转到复位中断函数
中断复位服务函数

3.复位中断函数：CPU执行到这，先配置时钟，再跳转到主函数
在这里插入图片描述
在调用main函数之前先完成了时钟的初始化，再调用main的

4.主函数区域：执行主函数，进入while大循环

5.其他中断函数入口地址：发生中断后，中断位置自动激发，告诉CPU中断入口地址，CPU去执行中断

所以，在启动文件执行的时候，内核和每个外设的中断服务函数的地址都是已经确定好的，地址就存放在中断向量表中，而且在启动文件里面已经写好了中断服务函数，只是这些中断服务函数为空，而且带[weak]弱定义
在这里插入图片描述

那么需要在C文件里面重新实现这个中断服务函数，用户写这个中断服务函数的时候，函数名必须跟启动文件里面写的中断函数名对应，因为函数名对应的就是中断服务函数的地址，如果中断服务函数名和启动文件的名字不一样，就默认启动文件里面预先写好的空的中断服务函数，而且是一个死循环，程序就会一直卡死在中断服务函数里面

五、库介绍

1.HAL库：ST官方推崇的新编程库；HAL是Hardware Abstraction Layer的缩写，中文名：硬件抽象层。HAL库是ST为STM32最新推出的抽象层嵌入式软件，可以更好的确保跨STM32产品的最大可移植性。HAL使用了比较大的Flash和SRAM。

2.LL库（Low Layer）：ST最近新增的库，与HAL捆绑发布，文档也是和HAL文档在一起的LL库更接近硬件层，对需要复杂上层协议栈的外设不适用，直接操作寄存器。其支持所有外设。使用方法：独立使用，该库完全独立实现，可以完全抛开HAL库，只用LL库编程完成。在使STM32CubeMX生成项目时，直接选LL库即可。如果使用了复杂的外设，例如USB，则会调用HAL库混合使用，和HAL库结合使用。编译后LL库只有HAL库的33%体积。

3.标准固件库：旧版本编程库；HAL库是ST未来主推的库，从前年开始ST新出的芯片已经没有STD库了

4.寄存器编程：原始底层编程。HAL库和标准库就是ST官方对寄存器编程进行人性化封装后的产物