STM32單片機的具體介紹和技術(shù)知識

STM32的核心Cortex-M3處理器是一個標準化的微控制器結(jié)構(gòu)，希望思考一下，何為標準化？簡言之，Cortex-M3處理器擁有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)以及標準的存儲映射。

嵌套中斷向量控制器（Nested Vector Interrupt Controller,簡稱NVIC）是Cortex-M3處理器中一個比較關(guān)鍵的組件，它為基于Cortex-M3的微控制器提供了標準的中斷架構(gòu)和優(yōu)秀的中斷響應能力，為超過240個中斷源提供專門的中斷入口，而且可以賦予每個中斷源單獨的優(yōu)先級。利用NVIC從可以達到極快的中斷響應速度，從收到中斷請求到執(zhí)行中斷服務(wù)的第一條指令僅需12個周期。這種極快的響應速度一方面得益于Cortex-M3內(nèi)核對堆棧的自動處理機制，這種機制是通過固化在CPU內(nèi)部的微代碼實現(xiàn)的。另一方面，在中斷請求連續(xù)出現(xiàn)的情況下，NVIC使用一種稱為“尾鏈”的技術(shù)，使連續(xù)而來的中斷可以在6個時鐘周期內(nèi)得到服務(wù)。在中斷的壓棧階段，更高優(yōu)先級的中斷可以不耗費任何額外的CPU周期就能完成嵌入低優(yōu)先級中斷的動作。具體的細節(jié)后面我會繼續(xù)總結(jié)的。用戶可以通過設(shè)置CPU自動進入低功耗狀態(tài)，而使用中斷來將其喚醒，CPU在中斷時間來臨之前會一直保持睡眠狀態(tài)。這個后面我也會再總結(jié)。

Cortex-M3的CPU支持兩種運行模式：線程模式（Thread Mode）與處理模式（Handler Mode）并且需要注意的是，這兩種模式都擁有各自獨立的堆棧。這種設(shè)計使得開發(fā)人員可以進行更為精密的程序設(shè)計，對實時操作系統(tǒng)的支持也就更好了。

Cortex-M3處理器還包含了一個24位可自動重裝載定的定時器，可以為內(nèi)核（RTOS）提供一個周期中斷。

在指令集方面，ARM7和ARM9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Thumb-2指令集。由于Thumb-2指令集融合了Thumb指令集和ARM指令集，使得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。

而且，ARM Thumb-2 專門為C/C++編譯器設(shè)計，這就意味著Cortex-M3系列處理器的開發(fā)應用可以全部在C語言環(huán)境中完成。

STM32微控制器的推出標志著ST公司在兩條產(chǎn)品主線（低價位主線和高性能主線）上邁出了重大一步。STM32最初發(fā)布時有14個不同型號，分為兩個版本：最高CPU時鐘為72MHZ的“增強型”和最高CPU時鐘為36MHZ的“基本型”。這些不同STM32型號里內(nèi)置的Flash最大可達128KB，SRAM最大為20KB，在STM32發(fā)布之初，配置更大Flash,RAM和更復雜外設(shè)的版本就已經(jīng)在規(guī)劃之中了。不管是什么版本，什么型號的STM32器件，它們在引腳功能和應用軟件上是兼容的。這就使得開發(fā)人員在使用STM32系列微控制器時，不必改動PCB就可以根據(jù)需要隨意更換器件型號。

乍一看STM32的設(shè)備配備，與往日熟悉的51單片機倒有幾分相似。一般，STM32都會配備常見外設(shè)，諸如多通道ADC,通用定時器，I2C總線接口，SPI總線接口，CAN總線接口，USB控制器，實時時鐘RTC等。但是，它的每一個外部設(shè)備都具有獨特之處。例如，12位精度的ADC具備多種轉(zhuǎn)換模式，并帶有一個內(nèi)部溫度傳感器，帶有雙ADC的STM32器件，還可以使兩個ADC同時工作，從而衍生出了更為高級的9種轉(zhuǎn)換模式；STM32的每一個定時器都具備4個捕獲比較單元，而且每個定時器都可以和另外的定時器聯(lián)合工作以生成更為精密的時序；STM32有專門為電機控制而設(shè)的高級定時器，帶有6個死區(qū)時間可編程的PWM輸出通道，同時其帶有的緊急制動通道可以在異常情況出現(xiàn)時，強迫PWM信號輸出保持在一個預訂好的安全狀態(tài)；SPI接口含有一個硬件CRC單元，支持8位字節(jié)和16位半字數(shù)據(jù)的CRC計算。在對SD或MMC等存儲介質(zhì)進行數(shù)據(jù)存取時相當有用。

而且，STM32還包含了7個DMA通道。沒惡搞通道都可以用來在設(shè)備與內(nèi)存之間進行8位，16位，32位數(shù)據(jù)的傳輸。每個設(shè)備都可以向DMA控制器請求發(fā)送或者接收數(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的簡化了，這就意味著DMA通道單元是很靈活的其使用方法簡單，足以應付微控制器應用中常見的數(shù)據(jù)傳輸要求。

我們前面說過了，STM32是低功耗，高性能的微控制器。在低功耗方面，STM32表現(xiàn)也是不錯的。它可以在2V供電的情況下運行，在所有設(shè)備同時打開且運行在滿速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2uA的電流消耗。即便外部振蕩器處在待啟動狀態(tài)，STM32使用內(nèi)部8MHZ的RC振蕩器也可迅速退出低功耗模式。這種快速進出低功耗模式的特性，也進一步降低了微控制器整體的功率消耗，同時使微控制器仍然可以保持器件的整體高性能。

在電子領(lǐng)域，對器件的要求精度高是一方面，另一方面，還要求器件穩(wěn)定性要好，處于可靠性的考慮，STM32配備了一系列硬件來支持對可靠性的高度要求。這些硬件有：一個低電壓檢測器，一個時鐘安全管理系統(tǒng)和兩個看門狗定時器。時鐘管理系統(tǒng)可以檢測到外部主振蕩器的失效，并隨即安全的將STM32內(nèi)部8MHZ的RC振蕩器切換為主時鐘源。兩個看門狗定時器中的一個稱為窗口看門狗。窗口看門狗必須在事先定義好的時間上下限到達之前刷新，如果過早或過晚的刷新它，將會觸發(fā)窗口看門狗復位。第二個看門狗稱為獨立看門狗。獨立看門狗使用外部振蕩器驅(qū)動，該振蕩器與主系統(tǒng)時鐘是相互獨立的，這樣即便STM32的主系統(tǒng)時鐘崩潰，獨立看門狗也能“力挽狂瀾”。

在現(xiàn)代電子設(shè)計行業(yè)中，有一個問題是無法逃避的，那就是你不得不想方設(shè)法提高代碼的安全性以防止被破解人員盜用。聽師傅說，在極難得電子市場，復制一個芯片只需要幾分鐘。STM32可以鎖住其內(nèi)部Flash使破解人員無法通過調(diào)試端口讀取其內(nèi)容。當Flash的讀保護功能開啟后，其寫保護功能也隨之開啟。寫保護功能常用于防止一些來歷不明的代碼寫入中斷向量表。但是，寫保護不僅可以保護中斷向量表，還可以進一步將其保護范圍延伸到整個Flash中的未被使用區(qū)域。另外，STM32還有一小塊電池備份RAM區(qū)，這個RAM區(qū)域?qū)谝粋€入侵檢測引腳應用，當這個引腳上產(chǎn)生電平變化時，STM32會認為遭遇了入侵事件，隨即自動將電池備份RAM區(qū)的內(nèi)容全部清除。

目前好多開發(fā)工具都開始支持Thumb-2指令集和STM32系列，即使不支持也沒有關(guān)系，我們只需要將軟件升級一下即可。同時，ST公司還提供了一個設(shè)備驅(qū)動固件庫和一個USB開發(fā)應用庫，以方便調(diào)用。對于STM32來說，一些早期微控制器比如早期的STR7和STR9發(fā)布的ANSI C庫和源代碼都是可移植的。這些程序的接口已經(jīng)在許多流行的編譯工具上得到了整合。相似的，許多開源的或者商用的RTOS，還有一些中間件（比如TCP/IP棧，文件系統(tǒng)）對以STM32系列微控制器來說也是可用的。
Cortex-M3還帶有一個全新調(diào)試系統(tǒng)CoreSight。用戶可以使用標準的JTAG接口或者雙線串行接口通過調(diào)試端口（Debug Access Port）實現(xiàn)和CoreSight系統(tǒng)的對接。除了提供調(diào)試運行控制服務(wù)之外，STM32上的CoreSight還提供斷點數(shù)據(jù)查看功能以及一個指令跟蹤器。指令跟蹤器可以將用戶選擇的應用信息上傳到調(diào)試工具里。從而可以為用戶提供額外的調(diào)試信息，并且它在軟件運行期間同樣可以使用！