基于STM32的嵌入式系统原理与应用-第2章 STM32的系统结构

第2章STM32的系统结构基于STM32的嵌入式系统原理与应用主讲老师：张兰ONTENTS目录C2.1STM发展历程2.2STM32命名规则及总体性能2.3Cortex内核介绍2.4STM32的存储器映射2.5嵌入式系统硬件外围电路设计2.1STM发展历程创新加速阶段市场扩张阶段高性能发展阶段技术演进阶段初始阶段STM32F1系列的诞生2007年，STMicroelectronics（ST公司）推出了业界首款搭载ARMCortex-M3内核的32位MCU——STM32F1系列，并成功为STM32家族开辟了发展的道路，并且至今仍受到许多工程师的青睐。初始阶段产品线的扩展在STM32F1系列取得成功后，ST公司继续扩展产品线，推出了基于ARMCortex-M0、Cortex-M4和Cortex-M7的多种型号，覆盖了从通用型、低成本到超低功耗、高性能低功耗以及高性能类型的广泛应用需求。技术演进阶段STM发展历程STM32系列微控制器的发展历程可以划分为5个关键阶段，每个阶段都标志着技术进步和市场需求的转变。创新加速阶段市场扩张阶段高性能发展阶段技术演进阶段初始阶段STM32F4系列的推出。STM32F4系列的推出标志着STM32进入了高性能微控制器市场。这一系列基于Cortex-M4内核，具备更高的处理速度、更大的内存和更高级的外设。高性能发展阶段中国成为关键市场。中国市场对STM32的发展起到了至关重要的作用。截止2016年底，中国市场销售的STM32产品占其总销售额的64%，在Cortex-M单片机市场占据45.8%的份额。ST公司对中国市场的重视为其带来了巨大的回报，使其成为全球第二大通用MCU厂商。市场扩张阶段STM发展历程STM32系列微控制器的发展历程可以划分为5个关键阶段，每个阶段都标志着技术进步和市场需求的转变。创新加速阶段市场扩张阶段高性能发展阶段技术演进阶段初始阶段物联网时代的适应。随着物联网时代的到来，STM32系列开始注重物联网应用的需求，在通信功能和网络安全性等方面加大研发投入。预计不久的将来，集成BLE、LoRa等射频功能的STM32芯片将问世。创新加速阶段STM发展历程STM32系列微控制器的发展历程可以划分为5个关键阶段，每个阶段都标志着技术进步和市场需求的转变。2.2STM32命名规则及总体性能2.2.1STM32命名规则STM32是ST品牌基于ARMCortex-Mx系列内核的32位微控制器（MCU）的总称。STM32的命名规则详细地反映了芯片的关键特性，包括产品系列、类型、子系列、管脚数、Flash存储容量、封装类型和工作温度范围等。了解这些命名规则有助于工程师快速识别和选择合适的MCU来满足特定项目的需求。2.2.1STM32命名规则2.2.2STM32总体性能STM32芯片结构示意图STM32F407ZGT6总体性能2.2.2STM32总体性能配置指标内核ARM32bitCortex-M4最高频率168M处理能力1.25DMIPS/MHz（在1MHz时钟下，每秒可执行1.25百万条指令）FLASH1024KBFLASH存储器SRAM192KBSRAM电源和I/O输入电压范围2.0~3.6ＶADC3个12位ADCDAC2个12位DAC，可配置为8位模式GPIO112个，可忍受5V高压调试串口调试（SWD）和JTAG接口定时器14个，TIM1~TIM14通信端口3个SPI、2个I2S、3个IIC、6个串口、2个USB、2个CAN、1个SDIODMA2个DMA控制器（共16个通道）FSMC有2.3Cortex内核介绍Cortex系列Cortex-ACortex-A系列处理器是ARM架构中的高性能应用处理器，它们专为需要复杂操作系统和高级用户界面的设备设计。这些处理器广泛应用于智能手机、平板电脑、数字电视、机顶盒、企业网络设备以及服务器解决方案中。Cortex-RCortex-R系列通常不包括内存管理单元（MMU），但它们具有微处理器（MPU）、缓存和其他针对工业应用设计的存储器功能。这些处理器在高时钟频率下运行，响应延迟非常低，非常适合实时操作系统（RTOS）。Cortex-MCortex-M系列处理器是ARM架构中专门针对微控制器应用设计的处理器。它们以低功耗、高性能和低成本为特点，广泛应用于各种嵌入式系统和混合信号设计中。Cortex系列分类Cortex系列处理器核心是ARM公司为了满足不同市场和应用需求而设计的，包括移动设备、嵌入式系统、实时系统和应用处理器等。这些系列由Cortex后的字母名称表示。2.3.1Cortex-M4处理器结构Cortex-M4内核大体上分为三个部分：内核、总线接口、调试系统，结构示意图如下：8条主控总线Cortex-M4内核的I总线、D总线和S总线，存储器总线DMA1、DMA2，外设总线DMA，以太网DMA总线，USBOTGHSDMA总线。7条被控总线内部FlashICode总线，内部FlashDCode总线，主要内部SRAM1(112KB)，辅助内部SRAM2(16KB)，AHB1外设（包括AHB-APB总线桥和APB外设），AHB2外设，FSMC。总线2.3.1Cortex-M4处理器结构总线架构图Cortex-M4内核共有16个寄存器，其中13个为32位通用目的寄存器，其它3个有特殊用途。2.3.2Cortex-M4寄存器2.3.2Cortex-M4寄存器2.3.3堆栈Cortex-M4使用的堆栈为向下增长的满栈，满栈指堆栈指针SP指向最后一个被压入的数据，向下增长指向低地址增长，也就是从高地址向低地址方向操作。同时，Cortex-M4的数据存储格式采用小端模式，即低字节存放在低地址，高字节存放在高地址。堆栈以字（4Byte）为单位。2.4STM32的存储器映射存储器映射图程序存储器，数据存储器，寄存器和I/O端口都在同一个线性的4GB（Cortex-M4的地址总线宽度是32位的，最大地址为0xFFFFFFFF）的地址空间之内。在STM32F4xx中，可通过BOOT[1:0]引脚选择三种不同的启动模式启动模式BOOT1BOOT0启动模式说明x0主Flash选择主Flash作为启动空间01系统存储器选择系统存储器作为启动空间11内置SRAM选择SRAM作为启动空间2.5嵌入式系统硬件外围电路设计STM32F407ZGT6管脚2.5.1电源STM32器件的工作电压(VDD)要求介于1.8V到3.6V之间，当主电源VDD断电时，可通过VBAT电压为实时时钟(RTC)、RTC备份寄存器和备份SRAM(BKPSRAM)供电。供电系统图部分电源引进标识说明VDD用于I/O引脚和系统模拟部分供电，比如复位、电源管理、振荡器等。VDDA用于ADC、DAC、运放、比较器和电压基准供电，这部分供电是独立的。VREF+,VREF-用于ADC和DAC的基准电压。VBAT当VDD不供电的时候，由VBAT为备份域供电。VCAP数字域供电。VSS电源地端。STM32芯片共有三种类型的复位：系统复位、电源复位和备份域复位2.5.2复位2.5.2时钟STM32F4的时钟系统共有5个时钟来源通过外接时钟源，有源或者无源晶振驱动，时钟范围4-26MHz。优势是精度高，缺点是增加成本。HSE（高速外部时钟）由外接一个精确的32.768kHz低速外部晶振或陶瓷谐振器产生的(晶振产生的频率的稳定性非常高)，可作为实时时钟外设(RTC)的时钟源来提供时钟/日历或其它定时功能，具有功耗低且精度高的优点。LSE（低速外部时钟）外部高速和低速晶振电路2.5.2时钟内部的高速RC振荡器，频率16MHz，可被用于系统时钟。优势是低成本，无需外部时钟，快速启动（仅需几个微秒），缺点是精度差。HSI（高速内部时钟）由STM32内部集成的RC振荡器产生的，通常工作频率为32kHz。LSI可作为低功耗时钟源在停机和待机模式下保持运行，供独立看门狗(IWDG)、自动唤醒单元(AWU)