STM32 的核心Cortex-M3 處理器

STM32 的核心Cortex-M3 處理器

STM32 的核心Cortex-M3 處理器是一個(gè)標準化的微控制器結構，希望思考一下，何為標準化?

簡(jiǎn)言之，Cortex-M3 處理器擁有32 位CPU，并行總線(xiàn)結構，嵌套中斷向量控制單元，調試系

統以及標準的存儲映射。

嵌套中斷向量控制器(Nested Vector Interrupt Controller,簡(jiǎn)稱(chēng)NVIC)是Cortex-M3 處理器中一個(gè)比較關(guān)鍵的組件，它為基于Cortex-M3 的微控制器提供了標準的中斷架構和優(yōu)秀的中斷響應能力，為超過(guò)240 個(gè)中斷源提供專(zhuān)門(mén)的中斷入口，而且可以賦予每個(gè)中斷源單獨的優(yōu)先級。利用NVIC 從可以達到極快的中斷響應速度，從收到中斷請求到執行中斷服務(wù)的第一條指令僅需12 個(gè)周期。這種極快的響應速度一方面得益于Cortex-M3 內核對堆棧的自動(dòng)處理機制，這種機制是通過(guò)固化在CPU 內部的微代碼實(shí)現的。另一方面，在中斷請求連續出現的情況下，NVIC 使用一種稱(chēng)為“尾鏈”的技術(shù)，使連續而來(lái)的中斷可以在6 個(gè)時(shí)鐘周期內得到服務(wù)。在中斷的壓棧階段，更高優(yōu)先級的中斷可以不耗費任何額外的CPU 周期就能完成嵌入低優(yōu)先級中斷的動(dòng)作。具體的細節后面我會(huì )繼續總結的。用戶(hù)可以通過(guò)設置CPU 自動(dòng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，而使用中斷來(lái)將其喚醒，CPU 在中斷時(shí)間來(lái)臨之前會(huì )一直保持睡眠狀態(tài)。

Cortex-M3 的CPU 支持兩種運行模式：線(xiàn)程模式(Thread Mode)與處理模式(Handler Mode)

并且需要注意的是，這兩種模式都擁有各自獨立的堆棧。這種設計使得開(kāi)發(fā)人員可以進(jìn)行更為精密的程序設計，對實(shí)時(shí)操作系統的支持也就更好了。Cortex-M3 處理器還包含了一個(gè)24 位可自動(dòng)重裝載定的定時(shí)器，可以為內核(RTOS)提供一個(gè)周期中斷。

在指令集方面，ARM7 和ARM9 都有兩種指令集(32 位指令集和16 位指令集)，而Cortex-M3系列處理器支持Thumb-2 指令集。由于Thumb-2 指令集融合了Thumb 指令集和ARM 指令集，使得32 位指令集的性能和16 位指令集的代碼密度之間取得了平衡。而且，ARM Thumb-2 專(zhuān)門(mén)為C/C++編譯器設計，這就意味著(zhù)Cortex-M3 系列處理器的開(kāi)發(fā)應用可以全部在C 語(yǔ)言環(huán)境中完成。

STM32 微控制器的推出標志著(zhù)ST 公司在兩條產(chǎn)品主線(xiàn)(低價(jià)位主線(xiàn)和高性能主線(xiàn))上邁出了重大一步。STM32 最初發(fā)布時(shí)有14 個(gè)不同型號，分為兩個(gè)版本：最高CPU 時(shí)鐘為72MHZ的“增強型”和最高CPU 時(shí)鐘為36MHZ 的“基本型”。這些不同STM32 型號里內置的Flash 最大可達128KB，SRAM 最大為20KB，在STM32 發(fā)布之初，配置更大Flash,RAM 和更復雜外設的版本就已經(jīng)在規劃之中了。不管是什么版本，什么型號的STM32 器件，它們在引腳功能和應用軟件上是兼容的。這就使得開(kāi)發(fā)人員在使用STM32 系列微控制器時(shí)，不必改動(dòng)PCB就可以根據需要隨意更換器件型號。

乍一看STM32 的設備配備，與往日熟悉的51 單片機倒有幾分相似。一般，STM32 都會(huì )配備常見(jiàn)外設，諸如多通道ADC,通用定時(shí)器，I2C 總線(xiàn)接口，SPI 總線(xiàn)接口，CAN 總線(xiàn)接口，USB控制器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC 等。但是，它的每一個(gè)外部設備都具有獨特之處。例如，12 位精度的ADC 具備多種轉換模式，并帶有一個(gè)內部溫度傳感器，帶有雙ADC 的STM32 器件，還可以使兩個(gè)ADC 同時(shí)工作，從而衍生出了更為高級的9 種轉換模式;STM32 的每一個(gè)定時(shí)器都具備4 個(gè)捕獲比較單元，而且每個(gè)定時(shí)器都可以和另外的定時(shí)器聯(lián)合工作以生成更為精密的時(shí)序;STM32 有專(zhuān)門(mén)為電機控制而設的高級定時(shí)器，帶有6 個(gè)死區時(shí)間可編程的PWM 輸出通道，同時(shí)其帶有的緊急制動(dòng)通道可以在異常情況出現時(shí)，強迫PWM 信號輸出保持在一個(gè)預訂好的安全狀態(tài);SPI 接口含有一個(gè)硬件CRC 單元，支持8 位字節和16 位半字數據的CRC 計算。在對SD 或MMC 等存儲介質(zhì)進(jìn)行數據存取時(shí)相當有用。而且，STM32 還包含了7 個(gè)DMA 通道。沒(méi)惡搞通道都可以用來(lái)在設備與內存之間進(jìn)行8 位，16 位，32 位數據的傳輸。每個(gè)設備都可以向DMA 控制器請求發(fā)送或者接收數據。STM32內部總線(xiàn)仲裁器和總線(xiàn)矩陣將CPU 數據接口和DMA 通道之間的連接大大的簡(jiǎn)化了，這就意味著(zhù)DMA 通道單元是很靈活的其使用方法簡(jiǎn)單，足以應付微控制器應用中常見(jiàn)的數據傳輸要求。

我們前面說(shuō)過(guò)了，STM32 是低功耗，高性能的微控制器。在低功耗方面，STM32 表現也是不錯的。它可以在2V 供電的情況下運行，在所有設備同時(shí)打開(kāi)且運行在滿(mǎn)速72MHZ 主頻的情況下，也僅消耗36mA 的電流，在與Cortex-M3 內核的低功耗模式結合之后，只有2uA 的電流消耗。即便外部振蕩器處在待啟動(dòng)狀態(tài)，STM32 使用內部8MHZ 的RC 振蕩器也可迅速退出低功耗模式。這種快速進(jìn)出低功耗模式的特性，也進(jìn)一步降低了微控制器整體的功率消耗，同時(shí)使微控制器仍然可以保持器件的整體高性能。在電子領(lǐng)域，對器件的要求精度高是一方面，另一方面，還要求器件穩定性要好，處于可靠性的考慮，STM32 配備了一系列硬件來(lái)支持對可靠性的高度要求。這些硬件有：一個(gè)低電壓檢測器，一個(gè)時(shí)鐘安全管理系統和兩個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器。時(shí)鐘管理系統可以檢測到外部主振蕩器的失效，并隨即安全的將STM32 內部8MHZ 的RC 振蕩器切換為主時(shí)鐘源。兩個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器中的一個(gè)稱(chēng)為窗口看門(mén)狗。窗口看門(mén)狗必須在事先定義好的時(shí)間上下限到達之前刷新，如果過(guò)早或過(guò)晚的刷新它，將會(huì )觸發(fā)窗口看門(mén)狗復位。第二個(gè)看門(mén)狗稱(chēng)為獨立看門(mén)狗。獨立看門(mén)狗使用外部振蕩器驅動(dòng)，該振蕩器與主系統時(shí)鐘是相互獨立的，這樣即便STM32 的主系統時(shí)鐘崩潰，獨立看門(mén)狗也能“力挽狂瀾”。

在現代電子設計行業(yè)中，有一個(gè)問(wèn)題是無(wú)法逃避的，那就是你不得不想方設法提高代碼的安全性以防止被破解人員盜用。聽(tīng)師傅說(shuō)，在極難得電子市場(chǎng)，復制一個(gè)芯片只需要幾分鐘。STM32 可以鎖住其內部Flash 使破解人員無(wú)法通過(guò)調試端口讀取其內容。當Flash 的讀保護功能開(kāi)啟后，其寫(xiě)保護功能也隨之開(kāi)啟。寫(xiě)保護功能常用于防止一些來(lái)歷不明的代碼寫(xiě)入中斷向量表。但是，寫(xiě)保護不僅可以保護中斷向量表，還可以進(jìn)一步將其保護范圍延伸到整個(gè)Flash 中的未被使用區域。另外，STM32 還有一小塊電池備份RAM 區，這個(gè)RAM 區域對應于一個(gè)入侵檢測引腳應用，當這個(gè)引腳上產(chǎn)生電平變化時(shí)，STM32 會(huì )認為遭遇了入侵事件，隨即自動(dòng)將電池備份RAM 區的內容全部清除。目前好多開(kāi)發(fā)工具都開(kāi)始支持Thumb-2 指令集和STM32 系列，即使不支持也沒(méi)有關(guān)系，我們只需要將軟件升級一下即可。同時(shí)，ST 公司還提供了一個(gè)設備驅動(dòng)固件庫和一個(gè)USB 開(kāi)發(fā)應用庫，以方便調用。對于STM32 來(lái)說(shuō)，一些早期微控制器比如早期的STR7 和STR9 發(fā)布的ANSI C 庫和源代碼都是可移植的。這些程序的接口已經(jīng)在許多流行的編譯工具上得到了整合。相似的，許多開(kāi)源的或者商用的RTOS，還有一些中間件(比如TCP/IP 棧，文件系統)對以STM32 系列微控制器來(lái)說(shuō)也是可用的。

Cortex-M3 還帶有一個(gè)全新調試系統CoreSight。用戶(hù)可以使用標準的JTAG 接口或者雙線(xiàn)串行接口通過(guò)調試端口(Debug Access Port)實(shí)現和CoreSight 系統的對接。除了提供調試運行控制服務(wù)之外，STM32 上的CoreSight 還提供斷點(diǎn)數據查看功能以及一個(gè)指令跟蹤器。指令跟蹤器可以將用戶(hù)選擇的應用信息上傳到調試工具里。從而可以為用戶(hù)提供額外的調試信息，并且它在軟件運行期間同樣可以使用。“入門(mén)既不難，深造也是辦得到的”，只要你有恒心、有決心，跟隨我們的“連載”一步步走下去，將來(lái)就一定能在魅力的電子世界里遨游。