STM32學(xué)前班教程之一：為什么選擇STM32？

--------首先聲明一下：該教程由思蛻盟論壇原創(chuàng )，本人一是為了自己學(xué)習，自我感覺(jué)此對stm32入門(mén)很有幫助，二是為了給更多的初學(xué)者帶來(lái)方便，所以決定轉載。轉載中糾正其中的部分錯誤，盡量加入最新的信息，并增加本人的部分見(jiàn)解和學(xué)習的感受，希望對閱讀者帶來(lái)點(diǎn)點(diǎn)閱讀價(jià)值！真誠歡迎讀者提出疑問(wèn)，而后共同交流，共同進(jìn)步！

我對未來(lái)的規劃是以功能性為主的，在功能和面積之間做以平衡是我的首要選擇，而把運算放在第二位，這根我的專(zhuān)業(yè)有關(guān)系。里面的運算其實(shí)并不復雜，在入門(mén)階段想盡量減少所接觸的東西。

不過(guò)說(shuō)實(shí)話(huà)，對DSP的外設并和開(kāi)發(fā)環(huán)境不滿(mǎn)意，這是為什么STM32一出就轉向的原因。下面是我自己做過(guò)的兩塊DSP28的全功能最小系統板，在做這兩塊板子的過(guò)程中發(fā)現要想盡力縮小DSP的面積實(shí)在不容易（目前只能達到50mm×45mm，這還是沒(méi)有其他器件的情況下），尤其是雙電源的供電方式和1.9V的電源讓人很頭疼。

后來(lái)因為一個(gè)項目，接觸了LPC2148并做了一塊板子，發(fā)現小型的ARM7在外設夠用的情況下其實(shí)很不錯，于是開(kāi)始搜集相關(guān)芯片資料，也同時(shí)對小面積的AVR和51都進(jìn)行了大致的比較，這個(gè)時(shí)候發(fā)現了CortexM3的STM32，比2148擁有更豐富和靈活的外設，性能幾乎是2148兩倍（按照MIPS值計算）。正好2148我還沒(méi)上手，就直接轉了這款STM32F103。

與2811相比較（核心1.8V供電情況下），135MHz×1MIPS?，F在用STM32F103，72MHz×1.25MIPS，性能是DSP的66%，STM32F103R型（64管腳）芯片面積只有2811的51%，STM32F103C型（48管腳）面積是2811的25%，最大功耗是DSP的20%，單片價(jià)格是DSP的30%。且有更多的串口，CAP和PWM，這是有用的。高端型號有SDIO，理論上比SPI速度快。

由以上比較，準備將未來(lái)的擁有操作系統的高端應用交給DSP的新型浮點(diǎn)型單片機28335，而將所有緊湊型小型、微型應用交給STM32。

ARM Cortex-M3相比于A(yíng)RM其他系列微控制器，具有以下優(yōu)勢或特點(diǎn)：
1.三級流水線(xiàn)+分支預測
ARM Cortex-M3與ARM7內核一樣，采用適合于微控制器應用的三級流水線(xiàn)，但增加了分支預測功能。

現代處理器大多采用指令預取和流水線(xiàn)技術(shù)，以提高處理器的指令執行速度。流水線(xiàn)處理器在正常執行指令時(shí)，如果碰到分支（跳轉）指令，由于指令執行的順序可能會(huì )發(fā)生變化，指令預取隊列和流水線(xiàn)中的部分指令就可能作廢，而需要從新的地址重新取指、執行，這樣就會(huì )使流水線(xiàn)“斷流”，處理器性能因此而受到影響。特別是現代C語(yǔ)言程序，經(jīng)編譯器優(yōu)化生成的目標代碼中，分支指令所占的比例可達10-20%，對流水線(xiàn)處理器的影響會(huì )的更大。為此，現代高性能流水線(xiàn)處理器中一般都加入了分支預測部件，就是在處理器從存儲器預取指令時(shí)，當遇到分支（跳轉）指令時(shí)，能自動(dòng)預測跳轉是否會(huì )發(fā)生，再從預測的方向進(jìn)行取指，從而提供給流水線(xiàn)連續的指令流，流水線(xiàn)就可以不斷地執行有效指令，保證了其性能的發(fā)揮。
ARM Cortex-M3內核的預取部件具有分支預測功能，可以預取分支目標地址的指令，使分支延遲減少到一個(gè)時(shí)鐘周期。

2.哈佛結構
從內核訪(fǎng)問(wèn)指令和數據的不同空間與總線(xiàn)結構，可以把處理器分為哈佛結構和普林斯頓結構（或馮.諾伊曼結構）。馮.諾伊曼結構的機器指令、數據和I/O共用一條總線(xiàn)，這樣內核在取指時(shí)就不能進(jìn)行數據讀寫(xiě)，反之亦然。這在傳統的非流水線(xiàn)處理器（如MCS51）上是沒(méi)有什么問(wèn)題的，它們取指、執行分時(shí)進(jìn)行，不會(huì )發(fā)生沖突。但在現代流水線(xiàn)處理器上，由于取指、譯碼和執行是同時(shí)進(jìn)行的（不是同一條指令），一條總線(xiàn)就會(huì )發(fā)生總線(xiàn)沖突，必須插入延遲等待，從而影響了系統性能。ARM7TDMI內核就是這種結構的。
而哈佛結構的處理器采用獨立的指令總線(xiàn)和數據總線(xiàn)，可以同時(shí)進(jìn)行取指和數據讀寫(xiě)操作，從而提高了處理器的運行性能。ARM Cortex-M3、ARM966E、ARM926EJ、ARM1136JF等內核都采用了哈佛結構。

3.內置嵌套向量中斷控制器（NVIC）
針對業(yè)界對ARM處理器中斷響應的問(wèn)題，Cortex-M3首次在內核上集成了嵌套向量中斷控制器（NVIC）。Cortex-M3的中斷延遲只有12個(gè)時(shí)鐘周期(ARM7需要24-42個(gè)周期)；Cortex-M3還使用尾鏈技術(shù)，使得背靠背（back-to-back）中斷的響應只需要6個(gè)時(shí)鐘周期(ARM7需要大于30個(gè)周期)。以STM32運行在75MHz為例，中斷延遲只有80ns-160ns。另外，Cortex-M3采用了基于棧的異常模式，使得芯片初始化的封裝更為簡(jiǎn)單。
ARM7TDMI內核不帶中斷控制器，具體MCU的中斷控制器是各芯片廠(chǎng)商自己加入的，這使得各廠(chǎng)商的ARM7 MCU中斷控制部分都不一樣，給用戶(hù)使用及程序移植帶來(lái)了很大麻煩。Cortex-M3內核集成NVIC，各廠(chǎng)商生產(chǎn)的基于Cortex-M3內核的MCU都具有統一的中斷控制器，對用戶(hù)使用各種Cortex-M3 MCU，特別是中斷編程帶來(lái)了很大的便利。

4.支持位綁定操作
以前的ARM內核不支持位操作，當需要對一個(gè)變量或端口的某一位操作時(shí)，先要用邏輯與/或指令屏蔽其他的位，使位操作需要較多的指令和時(shí)鐘周期。ARM
Cortex-M3采用了一種特殊的方法——位綁定：把一個(gè)地址單元的32位變量中的每一位，通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的地址轉換算法，映射到另一個(gè)地址空間，每一位占用一個(gè)地址，對此地址空間的操作，只有數據的最低一位是有效的，其余高31位的值被忽略。相當于把一個(gè)“橫”的32位字給“豎”起來(lái)。這樣對新的映射空間操作時(shí)，就可以不用屏蔽操作，優(yōu)化了RAM和I/O寄存器的讀寫(xiě)，提高了位操作的速度。
這種方法粗看起來(lái)好像損失了很多地址空間，其實(shí)對于32位的ARM處理器而言，總共可以尋址4GB的空間，而對于一個(gè)MCU來(lái)說(shuō)，一般只用到幾百KB的空間。所以這種處理方法絲毫不會(huì )影響一個(gè)MCU的正常使用，又大大簡(jiǎn)化了處理器的設計，可以說(shuō)是一種良策。

5.支持串行調試（SWD）
ARM處理器一般都使用JTAG調試接口，使得仿真、調試工具統一而廉價(jià)，方便了用戶(hù)開(kāi)發(fā)。但JTAG調試接口至少要占用芯片的5-6個(gè)引腳，這對于一些引腳較少的MCU來(lái)說(shuō)，有時(shí)會(huì )對仿真調試和I/O使用帶來(lái)麻煩。
ARM
Cortex-M3在保持原來(lái)JTAG調試接口的基礎上，還支持串行調試（SWD）。使用SWD時(shí)，只占用2個(gè)引腳，就可以進(jìn)行所有的仿真和調試，節省了調試用引腳，用戶(hù)就可以使用更多的引腳。
另外，Cortex-M3支持8個(gè)硬件斷點(diǎn)（ARM7、ARM9只支持2個(gè)硬件斷點(diǎn)），可以減少斷點(diǎn)調試時(shí)對代碼的影響，保證仿真、調試的時(shí)序準確性。

6.內核支持低功耗模式
ARM內核已經(jīng)是一個(gè)高性能、低功耗的內核，但ARM7、ARM9等內核本身只有運行/停止模式，沒(méi)有其他模式。各芯片廠(chǎng)商只能在內核基礎上，對各自加入的外設定義各種低功耗模式。Cortex-M3加入了類(lèi)似于8位處理器的內核低功耗模式，支持3種功耗管理模式：通過(guò)一條指令立即睡眠；異常/中斷退出時(shí)睡眠；深度睡眠。使整個(gè)芯片的功耗控制更為有效。以STM32為例，其RAM和寄存器狀態(tài)保持的停機模式耗電僅為14uA，從此狀態(tài)的啟動(dòng)時(shí)間僅為7us。
Cortex-M3的運行功耗（Active Mode）也很低。以STM32系列微控制器為例，其典型功耗約為500uA/MHz，也只是目前業(yè)界超低功耗單片機MSP430系列（約為250uA/MHz）的2倍。但MSP430是16位處理器，而STM32是32位處理器。

7.高效的Thumb2 16/32位混合指令集
ARM7、ARM9等內核使用不同的處理器狀態(tài)分別執行32位的ARM指令和16位的Thumb指令，使用狀態(tài)切換指令完成ARM狀態(tài)和Thumb狀態(tài)的切換。Cortex-M3使用更高效的Thumb2指令集，它是一種16/32位混合編碼指令，兼容Thumb指令。對于一個(gè)應用程序編譯生成的Thumb2代碼，以接近Thumb編碼的代碼尺寸，達到了接近ARM編碼的運行性能。Thumb2是一種緊湊、高效的新一代指令集。
Thumb2指令集是面向高級語(yǔ)言的指令集，適合于C語(yǔ)言編程，由編譯器生成目標代碼，不建議直接使用Thumb2匯編語(yǔ)言編程。

8. 32位硬件除法和單周期乘法
以往的ARM處理器沒(méi)有除法指令，在某些除法密集型應用中性能不盡如意。Cortex-M3加入了32位除法指令，彌補了這一缺陷，使Cortex-M3可以和其他通用處理器一樣，完成各種數學(xué)運算操作。
Cortex-M3還改進(jìn)了乘法運算部件，32結果的32位x32位乘法操作只要一個(gè)時(shí)鐘周期。這一性能使得使用Cortex-M3來(lái)進(jìn)行乘、乘加運算時(shí)，已逼近DSP的性能，因此特別適合一些需要簡(jiǎn)單DSP的應用領(lǐng)域，如電機控制、數字濾波、FFT變換等。
需要指出的是，32位的乘/除運算，對于一個(gè)8位機而言，已經(jīng)是一段比較復雜的程序，而對于32位的Cortex-M3而言，只需一句指令。因此，即使二者工作主頻一樣，實(shí)際運行性能也不是一個(gè)數量級的。