STM32结构和原理

本节有关内容可以详细参见《STM32F4xx中文参考手册》。

1. STM32架构

普林斯顿(冯·诺伊曼)架构

组成部分：输入设备、输出设备、存储单元、算数逻辑单元、控制单元。

哈佛结构

哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构，它的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问，目的是为了减轻程序运行时的访存瓶颈。

重要特点：指令（代码）和数据存储分开

所以一般会有指令I(Instruction)总线和数据D(data)总线的之分。

STM32F4型号架构

2. STM32外设

如何组装一台电脑？

首先我们得先拥有一块主板（包含了我们的CPU）。 然后，我们得有显示屏、键盘、扬声器。我们还得装显卡、声卡、无线网卡……

对于STM32等微处理器，显示屏、键盘、无线上网不是必须的。 未了实现不同的功能，我们的STM32需要完成一些基本功能，例如：

• 引出一些引脚，我可以控制是高电平还是低电平
• 添加一个USB串口，可以与电脑通信
• 一个定时器，在我需要的时候进行计时功能
• ……

如何制造一个STM32？

采用什么CPU？ARM Cortex系列中央处理器。

配置哪些硬件？由意法半导体为我们完成并封装到STM32中。 外设，类似于组装电脑时的无线网卡、显卡、声卡等硬件。

那么如果我想自定义硬件（外设）怎么办？

使用硬件描述语言生成半定制电路。可以使用FPGA。

如何使用代码来操作外设？

如果使用显卡，那么我需要显卡驱动。

如果使用摄像头，那么我需要摄像头驱动。

如果使用Wifi，那么我需要网卡驱动……

如果使用外设，我需要外设驱动硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer，HAL）。 应尽抽象层将硬件方面的不同抽离操作系统的核心，核心模式的代码就不必因为硬件的不同而需要修改。因此硬件抽象层可加大软件的移植性。

硬件抽象层底层逻辑

历史上，总共有两种办法来操作这些设备。 这些硬件外设设备其本质都是为了输入、输出，因此它们都是输入输出设备（IO设备,Input,Ouput）。

第一种方法，是设计专门的汇编命令。如x86汇编就保留了专门用来输入输出的指令。但是随着现代计算机中出现了越来越多不同的新设备，这种设计专门指令的方法也开始落伍。

第二种方法，叫做内存地址映射 IO（Memory Mapped IO）。这种方法也是大部分现代计算机所采用的输入输出的办法。

让我们回到硬件抽象层的概念。

硬件抽象层还是没有接触最底层的原理，因为硬件抽象层毕竟也是用代码写出来的。所以如果我想写硬件抽象层怎么办？

——寄存器操作

把寄存器当成电闸开关。当我想让一个房间的电灯亮起来，只需要拨动开关；类似的，当我要启用某一种功能，比如说让STM32的某一个引脚变成高电平，我只需要将寄存器的某一位设置为1。

或者说我可以用寄存器表示一种模式或功能。假设我的房间的灯有三种颜色，红、绿、蓝。我用00表示红，01表示绿，10表示蓝。

STM32的寄存器主要存在于两种地方： ARM Cortex内核里的寄存器。我们不需要显示地去操作它（除非编写汇编语言）。这些寄存器是和C语言编译完成之后的汇编语言较为相关。 挂接于总线上的寄存器。 假设系统有一块32kB的内存（位于0x0000 ~ 0x8000的位置）。这意味着不能访问0x9000的位置么？不是的。32位机的寻址能力是2^32。

我们可以把寄存器对应到一个空闲的地址上，然后在C语言中使用指针的方式进行读写！ 这样，寄存器的表现就仿佛是一块内存，同时，寄存器的具体值又定义了硬件外设的行为。我们可以通过改变寄存器中的值，来控制和访问外设。

这就是内存地址映射IO的方法。

现在假设一个控制LED灯点亮的寄存器，被映射到了0x9000的地址上，寄存器的最低位（第0位）位1的时候，LED灯可以被点亮。

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#define REG_ADDRESS 0x9000

volatile uint32_t* peripheral_register = REG_ADDRESS; // Volatile 关键字：防止编译器优化
*peripheral_register |= 0x0001;

STM32中外设众多，没有每个外设寄存器与地址的直接对应表，很多时候这些映射地址需要经过复杂的计算才能得出。而且，STM32还有位带操作等概念。

3. STM32时钟树

时钟

时钟信号就是计算机的脉搏，寄存器等时序逻辑器件依赖时钟的上升沿和下降沿运作。 时钟频率越高，计算机的运算能力越强，功耗也越大。为了平衡运算能力与工号，STM32设计了非常复杂的时钟系统。

时钟的作用：同步和时间测量。

同步：时钟信号用于同步计算机中所有组件的操作，包括CPU、内存、输入/输出设备等。通过提供一致的时间基准，时钟确保了不同组件之间的协调和有序运行。

时间测量：时钟提供了时间测量的基础。通过计数时钟周期，计算机可以测量和记录时间，从而支持各种时间相关功能，如时间戳、计时器和计数器等。

STM32时钟源

STM32的时钟源总共有四种，低速外部时钟，低速内部时钟，高速外部时钟，告诉内部时钟。内部时钟一般较频率较低且较不稳定， 外部时钟使用晶体振荡器，会更为稳定。

常用概念

分频器（DIV）：将时钟频率除以一定的倍数。

PLL倍频锁相环（倍频器）：将时钟频率乘以一定的倍数。

通过复杂的时钟配置，最终可以确定各个模块的时钟频率。

4. 通用输入输出GPIO

GPIO(General Purpose Input Ouput, 通用目的输入输出)外设是STM32最基本的外设之一。学习GPIO是学习其他一切外设的基础。 GPIO分为端口（Port）若干，编号为ABCD…… 每个端口分别对应16个引脚（Pin） 例如：GPIOA Pin10, GPIOB Pin 2, GPIOC Pin3 …… 对于每个GPIOx, 都有9个寄存器控制。 分别为：

GPIO 端口模式寄存器、 GPIO 端口输出类型寄存器、 GPIO 端口输出速度寄存器、 GPIO 端口上拉/下拉寄存器、 GPIO 端口输入数据寄存器、 GPIO 端口输出数据寄存器、 GPIO 端口置位/复位寄存器、 GPIO 复用功能低位寄存器、 GPIO 复用功能高位寄存器。