STM32前言知识总结

目录

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

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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）

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映射

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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。 

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

仿真器和调试器

为了方便地调试程序，我们往往会使用仿真器或者调试器。

在keil中，可以使用调试功能来调试程序，但是，也只能通过keil平台来调程序，无法实际看到开发板上的现象。像这样的调试，叫做仿真调试。

那什么是调试器（一般统称为仿真器）呢？

我们把程序烧录到开发板中的时候，看到的就是最终结果。那么，我怎么能让已经烧录到开发板中的程序可以一步一步地走呢？这样的调试，再结合keil中的正确配置，就可以让开发板中的程序一步一步地走，还能看到实际地现象。

这就是调试器起到的作用。

为了方便嵌入式调试，就定义了一种JTAG接口，是一种国际标准测试协议（IEEE 1149.1兼容），主要用于芯片内部测试。现在多数的高级器件都支持JTAG协议。标准的JTAG接口是4线：TMS、TCK、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。

只要器件支持JTAG，就可以使用该接口来调试嵌入式程序。

STM32就提供了JTAG接口。

另外，还有其他的接口协议，比如SWD，SWD是一种串行调试接口，与JTAG相比，SWD只需要SWCLK和SWDIO两根线，减少了对单片机GPIO口的占用。

现在市场上，已经有了很多实现了该接口的调试器，常见的有下面三种：

• JLINK V8 V9
• STLINK
• 普中ARM仿真器