第1讲 STM32F4体系结构.ppt

1、第1讲 STM32F4体系结构,1.1 嵌入式系统的概念 1.2 ARM处理器概述 1.3 STM32F4的总线架构 1.4 嵌入式C语言程序设计 1.5 STM32F4的时钟系统,电子计算机诞生于1946年。20世纪70年代出现了微处理器，计算机才出现了历史性的变化。以微处理器为核心的微型计算机以其型小、价廉、高可靠性特点迅速走出机房。 基于高速数值解算能力的微型机，表现出的智能化水平引起了控制专业人士的兴趣，要求将微型机嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制。 微型机经电气加固、机械加固，并配置各种外围接口电路，安装到大型舰船中构成自动驾驶仪或轮机状态监控系统。 计算机便失去了原来

2、的形态和通用的计算机功能。,1.1 嵌入式系统的概念,为区别于原有的通用计算机系统，把嵌入到对象体系中，实现对象体系智能化控制的计算机，称为嵌入式计算机系统。 通用计算机具有计算机的标准形态，通过安装不同的应用软件，以类同面目出现并应用于社会生活的各个方面；而嵌入式计算机则以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中。 IEEE的定义：用于控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置（Device used to control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plants）,1.1 嵌入式系统的概念,嵌入性

3、本质是将计算机嵌入到一个对象体系中,目前国内普遍认同的嵌入式系统（Embedded System）定义：以应用为中心，以计算机技术为基础、软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各行各业的具体应用相结合的产物。 嵌入式系统是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。,1.1 嵌入式系统的概念,嵌入式系统的组成,嵌入式系统的硬件 嵌入式最小系统（嵌入式处理器、存储模块、复位模块、电源模块、调试模块） 输入通道、输出通道、人机交互通道、通信互连通道 嵌入式系统的软件 设备驱动层程序（

4、硬件抽象层HAL、板级支持包BSP、设备驱动程序） 嵌入式操作系统（） 应用程序接口（API） 实际用户应用程序,嵌入式系统的设计方法,嵌入式系统设计有别于桌面软件设计的一个显著特点： 需要一个交叉编译和调试环境；源代码的编译工作在宿主机上进行，编译好后需要下载到目标机上运行 宿主机和目标机通过串口、并口、网口或USB口建立起通信连接，并传输调试命令和数据 嵌入式系统设计的基本原则：“物尽其用”硬件和软件都必须高效率设计，量体裁衣、去除冗余,面临的问题： 嵌入式微处理器及操作系统的选择 开发工具的选择 对目标系统的观察与控制 设计步骤： 需求分析（功能性需求和非功能性需求）、 体系结构设计（系

5、统整体结构的一个规划和描述） 嵌入式硬软件及执行机构设计（详细设计） 嵌入式系统集成 嵌入式系统测试,嵌入式系统的发展,以8位/16位单片机为核心的初级嵌入式系统 以32位嵌入式微控制器为基础的中级嵌入式系统 以嵌入式操作系统为标志的中高级嵌入式系统 以Internet为标志的高级嵌入式系统,ARM(Advanced RISC Machines)具有多种含义，既是一个公司的名字，也可以代表一类嵌入式处理器，还可以代表一种技术。 目前，采用ARM技术知识产权核（IP核）的微处理器，即通常所说的ARM处理器，已遍及通信系统、网络系统、无线系统、消费类电子产品、工业控制等各类产品市场，基于ARM技术

6、的微处理器应用约占32位RISC处理器80%以上的市场份额。 手机处理器90%、平板电脑70%,1.2 ARM处理器概述,1990年ARM公司在英国剑桥成立。ARM是专门从事基于RISC技术芯片技术开发的公司，是IP（知识产权）供应商，本身不生产芯片，由合作公司生产各具特色的芯片。 世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。目前，全球有几十家大的半导体公司都使用ARM公司的授权。 ARM处理器已经占据了绝大部分32位、64位高端嵌入式处理器的市场，形成了移动通信、手持计算、多媒体数字消费等

7、嵌入式解决方案事实上的标准。,1.2 ARM处理器概述,ARM体系结构的演变,1991年开始共推出7个版本，V1V3未用于商业授权,V4T开始商业授权，T表示16位Thumb指令，ARM7TDMI，冯诺依曼结构，三级流水线，0.9MIPS/MHz,V5增强ARM和Thumb指令切换的支持，增加了DSP指令支持（后缀E）、Java支持（后缀J）,V6版增强DSP和多媒体处理指令，增加SIMD指令扩展，对音、视频处理性能有极大提升，Thumb-2指令,2004年发布V7版，ARM首次为其体系结构命名，命名为Cortex，分为A（应用）、R（实时）、M（微控制器）三个系列,版本与型号区别,冯诺依曼结

8、构VS哈弗结构,冯诺依曼结构,哈弗结构,CISC(Complex Instruction Set Computer) 指令系统庞大（数量、寻址）、指令功能复杂、指令变长（解码困难）、控制部分占芯片面积大 RISC(Reduced Instruction Set Computer) 指令系统简单（数量、寻址） 、指令功能简单（多数单周期可执行，可提高主频）、指令定长（解码快）、大量通用寄存器组、Load/Store结构、流水线技术,RISC技术,CISC与RISC,编译器,处理器 （复杂度高）,编译器 （复杂度高）,处理器,CISC,RISC,流水线技术,流水线明显比顺序方式效率高,ARM体系的

9、存储空间 232B的单一、线性地址空间。地址：0232-1 可以看作由230个32位的字组成的地址空间 也可以看作由231个16位的半字组成的地址空间 ARM体系的存储器格式 大端格式（Big Endian) 高字节存储在低地址中，低字节则存放在高地址中 小端格式(Little Endian) 高字节存储在高地址中，低字节则存放在低地址中,ARM存储器和存储器映像I/O,Big Endian vs Little Endian,(0H)=0123H (4H)=4567H (8H)=89ABH,Big Endian,(0H)=3210H (4H)=7654H (8H)=BA98H,Little E

10、ndian,ARM体系结构中，I/O操作通常被映射为存储器操作 I/O输出操作可以通过存储器写入操作实现 I/O输入操作可以通过存储器读取操作实现,ARM存储器映射I/O,与Intel的80 x86不同,ARM公司1996年提出高级微控制器总线结构AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture），使片上不同宏单元的连接实现标准化。,ARM总线技术,ARM总线标准规定了两种类型总线： 先进的系统总线（ASB）,用于连接高性能系统模块 先进的外围总线（APB）,支持低性能外围接口，用于连接系统的周边组件 ASB和APB之间通过桥接器相连（ARM7） 第

11、二代标准增强了AMBA的性能，定义了两种高性能的总线标准AHB和APB2以及测试方法。（ARM9/ARM10/ARM Cortex-M） 第三代包括了AXI、ATB、AHB-Lite及APB3四个标准（ARM11/Cortex-R、Cortex-A） 第四代在第三代基础上增加了五个接口协议（ Cortex-A 15） 第五代在第四代基础上增加了支持64位处理器的功能（ Cortex-A 50系列）,1.3 STM32F4的总线架构,STM32 F 407 Z G T 6,基于ARM的32位微控制器,通用类型,T：36PIN R：64PIN V：100PIN Q：132PIN； Z：144PIN

12、；,主系统由 32 位多层 AHB 总线矩阵构成，可实现以下部分的互连 ： 八条主控总线：Cortex-M4 内核 I 总线、 D 总线、 S 总线；DMA1存储器总线、 DMA2存储器总线；DMA2 外设总线；以太网 DMA 总线；USB OTG HS DMA 总线。 7条被控总线：内部 FLASH ICode 总线;内部FLASH DCode 总线;主要内部 SRAM1(112KB)辅助内部 SRAM2(16KB);辅助内部 SRAM3(64KB) (仅适用 STM32F42xx 和 STM32F43xx 系列器件);,1.3 STM32F4的总线架构,8条主控总线,7条被控总线,八条主控

13、总线： I总线（S0） ：将 Cortex-M4 内核的指令总线连接到总线矩阵 D总线（S1）：将 Cortex-M4 内核的数据总线连接到总线矩阵 S总线（S2）：将 Cortex-M4 内核的系统总线连接到总线矩阵 DMA存储器总线（S3,S4）将 DMA 存储器总线主接口连接到总线矩阵 DMA外设总线（S5）： 将 DMA 外设主总线接口连接到总线矩阵 以太网 DMA总线（S6）：将以太网 DMA 主接口连接到总线矩阵 USB OTG HS DMA总线（S7）：将 USB OTG HS DMA 主接口连接到总线矩阵。,C语言典型数据类型 8位：char int8_t uint8_t 16

14、位：short int16_t uint16_t 32位：int int32_t uint32_t long float,1.4 嵌入式C语言程序设计,C语言典型运算符 算术运算符 + 、 -、 *、 /、 %（余数）、 +（自增运算符）、 - -（自减运算符） 关系运算符 、 =、=、= =、！= 逻辑运算符 _IO uint32_t OTYPER; GPIO_TypeDef;,struct _GPIO _IO uint32_t MODER; _IO uint32_t OTYPER; ,struct _GPIO GPIOA;,GPIO_TypeDef GPIOA,GPIOB;,结构体 Str

15、uct 结构体名 成员列表； 变量名列表； 例： Struct U_TYPE Int BaudRate Int WordLength； usart1，usart2；,结构体成员变量引用：结构体变量名字.成员名,结构体指针成员变量定义： Struct U_TYPE *usart3 引用：结构体指针变量名字-成员名 Usart3-BaudRate；,结构体的作用,例如：初始化外设的串口状态，包括串口号、波特率、极性、模式等 没有结构体：,void USART_Init（u8 usarttx，u32 Baudrate， u8 parity，u8 mode）,如果要往函数中再传入一个参数？,void

16、USART_Init（u8 usarttx，u32 Baudrate， u8 parity，u8 mode，u8 wordlength）,太麻烦,结构体将多个变量组合为一个有机整体。在不改变 入口参数的情况下，只需要改变结构体的成员变量,Void USART_Init(USART_TypeDef *USARTx, USART_InitTypeDef *USART_InitStruct);,typedef struct uint32_t USART_BaudRate; uint16_t USART_Wordlength； uint16_t USART_StopBit; uint16_t USAR

17、T_Parity; uint16_t USART_Mode; uint16_t USART_HardwareFlowControl; USART_InitTypeDef;,传统的51单片机只需一个系统时钟 STM32有一个相当复杂的时钟树 STM32本身非常复杂，外设很多，有高速外设，有低速外设 时钟越快，功耗越大、抗电磁干扰能力越弱 每个外设的时钟都有使能端，外设不用时可将其时钟关闭以节约能耗,1.5 STM32F4的时钟系统 ,复杂的MCU一般都采用多时钟源的方法解决该问题,A,B,C,D,E,G,H,I,F,每个外设时钟都有使能,5个时钟源 LSI：低速内部时钟，RC 振荡器，频率为 3

18、2kHz 左右。供独立看门狗、RTC、自动唤醒单元使用 LSE：低速外部时钟，接频率为32.768kHz 的石英晶体。主要是 RTC 的时钟源 HSI：高速内部时钟，RC 振荡器，频率为 16MHz。可以直接作为系统时钟或者用作 PLL输入 HSE：高速外部时钟，可接石英/陶瓷谐振器，或者接外部时钟源，频率范围4MHz26MHz。开发板接8M晶振。HSE也可以直接做为系统时钟或者 PLL 输入。,1.4 STM32F4的时钟系统,时钟树,5个时钟源 PLL：锁相环倍频输出 主 PLL：由 HSE 或者 HSI 提供时钟信号，并具有两个不同的输出时钟。 PLLP：生成高速的系统时钟（最高168M

19、Hz） PLLQ：生成 USB OTG FS 的时钟（48MHz）、随机数发生器的时钟和 SDIO时钟 专用 PLL（PLLI2S）：生成精确时钟，从而在 I2S 接口实现高品质音频性能,1.4 STM32F4的时钟系统,时钟树,PLL输出频率计算方法 输入时钟先M分频再N倍频最后P（或Q）分频 开发板：fin=8MHz，设置M=8，N=336，P=2，则 fout= 8MHz336/(82)=168MHz,1.4 STM32F4的时钟系统,时钟树,SYSCLK（系统时钟） =168MHz AHB 总线时钟（HCLK=SYSCLK）=168MHz APB1 总线时钟（PCLK1=SYSCLK/

20、4）=42MHz APB2 总线时钟（PCLK2=SYSCLK/2）=84MHz PLL主时钟 =168MHz,SystemInit()中设置的系统时钟大小,stm32f4xx_rcc.h、stm32f4xx_rcc.c 时钟源使能函数 外设时钟使能函数 时钟源选择和分频因子配置函数 外设复位函数 状态参数获取函数 RCC中断相关函数,STM32F4时钟使能和配置,实际是读取或配置相关寄存器（略），这里学习相关库函数,void RCC_HSICmd(FunctionalState NewState); void RCC_LSICmd(FunctionalState NewState); voi

21、d RCC_PLLCmd(FunctionalState NewState); void RCC_PLLI2SCmd(FunctionalState NewState); void RCC_PLLSAICmd(FunctionalState NewState); void RCC_RTCCLKCmd(FunctionalState NewState); 例：使能PLL时钟 RCC_PLLCmd(ENABLE);,时钟源使能函数,void RCC_AHB1PeriphClockCmd(uint32_t RCC_AHB1Periph, FunctionalState NewState); void

22、 RCC_AHB2PeriphClockCmd(uint32_t RCC_AHB2Periph, FunctionalState NewState); void RCC_AHB3PeriphClockCmd(uint32_t RCC_AHB3Periph, FunctionalState NewState); void RCC_APB1PeriphClockCmd(uint32_t RCC_AHB1Periph, FunctionalState NewState); void RCC_APB2PeriphClockCmd(uint32_t RCC_AHB2Periph, FunctionalS

23、tate NewState);,外设时钟使能函数 ,数据手册 P17：Figure 5. STM32F40 x block diagram 查固件库函数中的参数宏定义 stm32f4xx_rcc.h,如何知道某个外设挂接哪个总线,GPIOA挂在AHB1上,GPIOA挂在哪个总线上？,两个总线桥,TIM6挂在APB1上,定时器6挂在哪个总线上？,方法二：查固件库函数中的参数宏定义 例：GPIOA挂在哪个总线上？定时器6挂在哪个总线上？,如何知道某个外设挂接哪个总线,void RCC_HSEConfig(uint8_t RCC_HSE); void RCC_LSEConfig(uint8_t RC

24、C_LSE); void RCC_PLLConfig(uint32_t RCC_PLLSource, uint32_t PLLM, uint32_t PLLN, uint32_t PLLP, uint32_t PLLQ); void RCC_SYSCLKConfig(uint32_t RCC_SYSCLKSource); void RCC_HCLKConfig(uint32_t RCC_SYSCLK); void RCC_PCLK1Config(uint32_t RCC_HCLK); 例：设置系统时钟源为HSI RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_HSI); 例：设置APB1时钟为HCLK的2