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关于STM32
STM32F1
存储器?
位带操作
三种启动模式
低功耗模式
复位
时钟系统
STM32库
仿真器和调试器
注:本文大部分内容来自于STMCU官网以及STM32数据手册。
STM32使用的是ARM公司的Cortex-M系列的内核,ARM将MCU的设计卖给其他公司,其他公司再添加总线和各种外设接口,就形成了STM32单片机。
在这些下游商家中,以意法半导体公司(STMicroelectronics)最为知名,产品最为成熟。
ST官网(打开非常慢,经常打不开):首页 - STMicroelectronics
意法半导体不只是做STM32,还有其他各种半导体产品。
其中,有一个单片机的专门网站(重点关注):
意法半导体STM | STM32/STM8微控制器 | MCU单片机
可以先将这个网站仔细浏览一遍。以下记录重要内容。
关于STM32
意法半导体微控制器和微处理器拥有广泛的产品线,包含低成本的8位单片机和基于ARM??Cortex?-M0、M0+、M3、M4、M33、M7及A7内核并具备丰富外设选择的32位微控制器及微处理器。覆盖超低功耗、超高性能方向,同时兼具市场竞争力。
STM32致力于ARM? Cortex? 内核单片机和微处理器和微处理器市场和技术方面,目前提供18大产品线 (F0, G0, F1, F2, F3, G4, F4, F7, H7, MP1, L0, L1,L4, L4+,L5,U5,WB,WL),超过1000个型号。
STM32产品广泛应用于工业控制、消费电子、物联网、通讯设备、医疗服务、安防监控等应用领域,其优异的性能进一步推动了生活和产业智能化的发展。
系列产品如下所示:
其中:
L是低功耗,F是普通的,L系列一般都只有低端产品,F则从低端到高端非常全。
G应该是表示入门级?H表示高性能?这两个型号含义具体不详,如此理解也无妨。
其他还有U系列等等。
G系列和U系列都是比较新的产品(2022年8月)
- 极端低功耗系列:STM32L0,STM32L1,STM32L4,性能依次增强。
- 主流系列: STM32F0,STM32F1,STM32F3,性能依次增强。
- 高性能系列: STM32F2,STM32F4,STM32F7,STM32H7,性能依次增强。
在STM32相同内核的F系列和L系列中(比如F0和L0系列),最主要的不同是对于功耗的控制,其中L系列是针对电池供电应用做过功耗优化的,一般比同型号的F系列主频低,功耗也低很多。而F系列则主要考虑性能和价格因素,所以像智能穿戴产品这类应用一般都会用到L0或者L4系列的MCU作为主控。而一些使用外部供电的家用电器,则对于功耗要求没有那么高,就会考虑F0或者F4系列,这些性价比更好一些。
产品命名含义
比如我们学习时用的STM32F103C8;
再比如我们公司用的STM32F103RCT6等等。
STM32F1
功能展示:
STM32F103xx
增强型系列使用高性能的
ARM Cortex-M3 32
位的
RISC
内核,工作频率为
72MHz
,内置高速存储器(
高达
128K
字节的闪存和
20K
字节的
SRAM)
,丰富的增强
I/O
端口和联接到两条
APB
总线的外设。所有型号的器件都包含2
个
12
位的
ADC
、
3
个通用
16
位定时器和一个
PWM
定时器,还包含标准和先进的通信接口:多达2
个
I2C
和
SPI
、
3
个
USART
、一个
USB
和一个
CAN
。
STM32F103xx
增强型系列工作于
-40°C
至
+105°C
的温度范围,供电电压
2.0V
至
3.6V
,一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。
这些丰富的外设配置,使得
STM32F103xx
增强型微控制器适合于多种应用场合:
● 电机驱动和应用控制
● 医疗和手持设备
●
PC
外设和
GPS
平台
● 工业应用:可编程控制器、变频器、打印机和扫描仪
● 警报系统,视频对讲,和暖气通风空调系统
嵌套的向量式中断控制器(NVIC)
STM32F103xx
增强型内置嵌套的向量式中断控制器,能够处理多达
43
个可屏蔽中断通道
(
不包括
16
个Cortex-M3的中断线
)
和
16
个优先级。
● 紧耦合的
NVIC
能够达到低延迟的中断响应处理
● 中断向量入口地址直接进入核心
● 紧耦合的
NVIC
接口
● 允许中断的早期处理
● 处理
晚到的
较高优先级中断
● 支持中断尾部链接功能
● 自动保存处理器状态
● 中断返回时自动恢复,无需额外指令开销
该模块以最小的中断延迟提供灵活的中断管理功能。
时钟和启动
系统时钟的选择是在启动时进行,复位时内部
8MHz
的
RC
振荡器被选为默认的
CPU
时钟,随后可以选择外部的、具失效监控的4~16MHz
时钟;当外部时钟失效时,它将被隔离,同时会产生相应的中断。同样,在需要时可以采取对PLL
时钟完全的中断管理
(
如当一个外接的振荡器失效时
)
。
具有多个预分频器用于配置AHB
的频率、高速
APB(APB2)
和低速
APB(APB1)
区域。
AHB
和高速
APB的最高频率是72MHz
,低速
APB
的最高频率为
36MHz
。
自举模式
在启动时,自举管脚被用于选择三种自举模式中的一种:
● 从用户闪存自举
● 从系统存储器自举
● 从
SRAM
自举
自举加载器存放于系统存储器中,可以通过
USART
对闪存重新编程。
串行线
JTAG
调试口
(SWJ-DP)
内嵌
ARM
的
SWJ-DP
接口和
JTAG
接口,
JTAG
的
TMS
和
TCK
信号分别与
SWDIO
和
SWCLK
共用管脚,TMS
脚上的一个特殊的信号序列用于在
JTAG-DP
和
SWJ-DP
间切换。
内部框图
?
存储器?
STM32是32位CPU,数据总线是32位的。 STM32的地址总线也是32位的。 STM32可以访问的地址容量是:4GB(2的32次方Byte)STM32没有用到所有4GB的空间。
ARM是内存与IO统一编址的。
ARM采用的是小端模式。
内存映射
注意,上面标注的地址是每一块的起始地址。
比如,TIM2的地址范围为0x40000000~0x400003FF。
在左侧的内存映射图中,有些之所以只有起始地址,没有结束地址,是因为不同型号的单片机是不一样的,起始地址都是一样的,结束地址根据其实际大小来决定。你空间大一些,我其后的保留地址就相应小一些。
F10x系列配置静态SRAM,起始地址为0x20000000,大小为20k字节。
位带操作
在32中,有一种操作方式,叫做位带(Bit-banding)操作。
什么是位带操作呢?
回顾下51单片机,我们可以对整个端口进行操作,但是也可以进行寄存器位操作。
显然,位操作是很有必要的,且不会影响到其他的位。
但是,在32中,无法针对特定位进行操作,而是需要进行寄存器整体操作,也就是说,如果想要操作某一位,就要操作32位寄存器,先读出32位,修改,然后再写入,也就是针对32位地址的读改写操作。
显然,每次操作一位就要进行如此繁杂的操作,效率不高。
为了解决这个问题,32就设定了一种位带操作的机制。即每一个位都有一个对应的32位地址与其相对应,只要操作这32位地址,就会映射到要操作的位,从而提高运行效率。
这些32位地址就称为对应位的别名。
别名存储器区——字(32位)
| 映射
| 位段存储区——位
映射公式如下:
映射的别名地址=别名区的起始地址
+ 位段区中包含目标位的字节的编号*32
+ 目标位的位位置*4
举例如下:
由此可知:别名存储器区大小等于位段存储器区大小的32倍。
三种启动模式
32支持3种启动方式。通过boot[1:0]引脚来选择启动方式。
用户闪存存储器区:是给我们设计来放置用户写的代码的,我们程序员写的代码烧录时就被烧录到这里了,正常工作状态下就要把STM32设置为从这里启动。
系统存储器区:在非常规情况下用,用来实现ISP功能的。
内嵌SRAM区:这种也是非常规的,用来实现调试器调试功能的。?
ISP实现
ISP原理回顾 第1步:先设置BOOT1和BOOT0从系统区启动,执行系统中预设的程序 第2步:主机通过串口发送要下载的hex文件给STM32 第3步:系统预设的程序接收到hex后将其烧录到用户区flash中 第4步:设置BOOT1和BOOT0为从用户区启动,然后复位重启执行刚才下载的hex即可
在这期间,系统和软件需要完成启动方式的切换。
可以使用商家提供的ISP直接进行32程序的下载,那么,自动下载电路是如何实现启动方式的切换的呢?
自动下载电路:
?
已知CH340是一个USB转串口芯片。参考:基于CH340G的USB芯片的学习_FPGAI的博客-CSDN博客_ch340g
按照商家给的说明,电源打开的状态下,下载程序,没有反应。
重启后才能生效。
说明:
仔细看资料,才知道我买到的开发板(转接板)没有实现自动下载的功能,默认就将BOOT0和BOOT1接地了,所以,程序会直接下载到flash中,需要下一次启动后,才能从flash中读取程序执行。
也就是说,用不到系统存储区了。
至于,如果实现自动下载,是硬件设计的问题,暂时不深究了,后续按需学习。
低功耗模式
睡眠SLEEP模式:CPU停,外设运行。
唤醒源为所有中断;
停机STOP模式:CPU停,时钟停,外设停,只有SRAM和寄存器还能保持原来的值。
唤醒源是外部中断;
待机SUSPEND模式:CPU停、外设停、时钟停、SRAM和寄存器停(相当于整个都断电关机了),只有备份寄存器和待机电路还能工作。
唤醒源:WKUP引脚的上升沿、 RTC闹钟、 NRST引脚上外部复位、 IWDG复位。
复位
32有三种复位,系统复位、电源复位和备份区域复位。
系统复位:
?
电源复位:
复位电路:
备份区域复位:
复位后CPU都会被强制到复位向量中去执行程序。
时钟系统
时钟源通常有三类,即纯内部、纯外部、内外部。他们各有优缺点,一般都是这三类的综合设计,以供不同情境下的使用。
纯内部时钟源优点是方便,直接在芯片内部集成了,但往往不够精准。
纯外部时钟是外面直接生成时钟再引入内部,一般比较精准,但是占地方,使用起来也不够方便。
内外部则是振荡电路在内部,而晶振在外部。
在实际中,内外部结合的方式是较为理想的。
PLL
锁相环电路,可以进行倍频和分频。具体见模电数电。
时钟树
纯内部:HSI、LSI 内外部:HSE、LSE 纯外部:OSC_IN、OSC32_IN
注:内部时钟不是很精准,为了兼顾启动速度和时钟的精准度,32是这样设计的。启动时,先用的是内部的时钟HSI,让系统启动起来之后,再通过读取用户程序,切换到更加精准的内外部时钟。
时钟相关寄存器
时钟相关寄存器主要是控制时钟开关、时钟分频、时钟倍频、时钟选择等部件。
具体内容查阅数据手册。
其中1、2、6、7、8这5个寄存器比较重要。
STM32库
寄存器操作(懂底层)
stm32有很多型号,每种型号的寄存器都有所不同,我们知道,我们是通过操作寄存器来操作单片机的,所以,不同的型号,就要去学习对应型号的寄存器,这样的话,每接触一个新的型号,因为寄存器的些许差别,就会导致代码需要重新调整。
标准库(懂原理)
显然,这样太不灵活,代码的可移植性太差。
于是,STM32就封装了一些库,这些库屏蔽了底层的寄存器操作(类似于C语言的标准库),我们通过调用这些库来实现功能。
这就是stm32的标准库(全称为标准外设库)
HAL库(会用即可,主流方向)
但是,标准库的功能也是有限的,像网络模块、蓝牙模块、GUI等,标准库没有提供。
于是,就在此基础上又开发了一些库,称之为HAL库(也叫cubeMX),这些库拿来即用,又能够实现一些更高级的功能。
从哪里获取
从ST官网。
地址如下:
STM32微控制器软件 - STMicroelectronics
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