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STM32 的核心Cortex-M3 處理器
STM32 的核心Cortex-M3 處理器是一個標準化的微控制器結(jié)構(gòu)，希望思考一下，何為標準化？
簡言之，Cortex-M3 處理器擁有32 位CPU，并行總線結(jié)構(gòu)，嵌套中斷向量控制單元，調(diào)試系
統(tǒng)以及標準的存儲映射。
嵌套中斷向量控制器（Nested Vector Interrupt Controller,簡稱NVIC）是Cortex-M3 處理器中
一個比較關(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(gòu)和優(yōu)秀的中斷
響應(yīng)能力，為超過240 個中斷源提供專門的中斷入口，而且可以賦予每個中斷源單獨的優(yōu)先
級。利用NVIC 從可以達到極快的中斷響應(yīng)速度，從收到中斷請求到執(zhí)行中斷服務(wù)的第一條
指令僅需12 個周期。這種極快的響應(yīng)速度一方面得益于Cortex-M3 內(nèi)核對堆棧的自動處理
機制，這種機制是通過固化在CPU 內(nèi)部的微代碼實現(xiàn)的。另一方面，在中斷請求連續(xù)出現(xiàn)
的情況下，NVIC 使用一種稱為“尾鏈”的技術(shù)，使連續(xù)而來的中斷可以在6 個時鐘周期內(nèi)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)先級中斷的動作。具體的細節(jié)后面我會繼續(xù)總結(jié)的。用戶可以通過設(shè)置CPU 自動
進入低功耗狀態(tài)，而使用中斷來將其喚醒，CPU 在中斷時間來臨之前會一直保持睡眠狀態(tài)。
這個后面我也會再總結(jié)。
Cortex-M3 的CPU 支持兩種運行模式：線程模式（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(shè)計使得開發(fā)人員可以進行更
為精密的程序設(shè)計，對實時操作系統(tǒng)的支持也就更好了。
Cortex-M3 處理器還包含了一個24 位可自動重裝載定的定時器，可以為內(nèi)核（RTOS）提供
一個周期中斷。
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 專門為C/C++編譯器設(shè)計，這就意味著Cortex-M3 系列處理器的開發(fā)應(yīng)
用可以全部在C 語言環(huán)境中完成。
STM32 微控制器的推出標志著ST 公司在兩條產(chǎn)品主線（低價位主線和高性能主線）上邁出
了重大一步。STM32 最初發(fā)布時有14 個不同型號，分為兩個版本：最高CPU 時鐘為72MHZ
的“增強型”和最高CPU 時鐘為36MHZ 的“基本型”。這些不同STM32 型號里內(nèi)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(fù)雜外設(shè)
的版本就已經(jīng)在規(guī)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(yīng)用軟件上是兼容的。這就使得開發(fā)人員在使用STM32 系列微控制器時，不必改動PCB
就可以根據(jù)需要隨意更換器件型號。
乍一看STM32 的設(shè)備配備，與往日熟悉的51 單片機倒有幾分相似。一般，STM32 都會配備
常見外設(shè)，諸如多通道ADC,通用定時器，I2C 總線接口，SPI 總線接口，CAN 總線接口，USB
控制器，實時時鐘RTC 等。但是，它的每一個外部設(shè)備都具有獨特之處。例如，12 位精度
的ADC 具備多種轉(zhuǎn)換模式，并帶有一個內(nèi)部溫度傳感器，帶有雙ADC 的STM32 器件，還可
以使兩個ADC 同時工作，從而衍生出了更為高級的9 種轉(zhuǎn)換模式；STM32 的每一個定時器
都具備4 個捕獲比較單元，而且每個定時器都可以和另外的定時器聯(lián)合工作以生成更為精密
的時序；STM32 有專門為電機控制而設(shè)的高級定時器，帶有6 個死區(qū)時間可編程的PWM 輸
出通道，同時其帶有的緊急制動通道可以在異常情況出現(xiàn)時，強迫PWM 信號輸出保持在一
個預(yù)訂好的安全狀態(tài)；SPI 接口含有一個硬件CRC 單元，支持8 位字節(jié)和16 位半字數(shù)據(jù)的
CRC 計算。在對SD 或MMC 等存儲介質(zhì)進行數(shù)據(jù)存取時相當有用。
而且，STM32 還包含了7 個DMA 通道。沒惡搞通道都可以用來在設(shè)備與內(nèi)存之間進行8 位，
16 位，32 位數(shù)據(jù)的傳輸。每個設(shè)備都可以向DMA 控制器請求發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)。STM32
內(nèi)部總線仲裁器和總線矩陣將CPU 數(shù)據(jù)接口和DMA 通道之間的連接大大的簡化了，這就意
味著DMA 通道單元是很靈活的其使用方法簡單，足以應(yīng)付微控制器應(yīng)用中常見的數(shù)據(jù)傳輸
要求。
我們前面說過了，STM32 是低功耗，高性能的微控制器。在低功耗方面，STM32 表現(xiàn)也是
不錯的。它可以在2V 供電的情況下運行，在所有設(shè)備同時打開且運行在滿速72MHZ 主頻的
情況下，也僅消耗36mA 的電流，在與Cortex-M3 內(nèi)核的低功耗模式結(jié)合之后，只有2uA 的
電流消耗。即便外部振蕩器處在待啟動狀態(tài)，STM32 使用內(nèi)部8MHZ 的RC 振蕩器也可迅速
退出低功耗模式。這種快速進出低功耗模式的特性，也進一步降低了微控制器整體的功率消
耗，同時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(wěn)定性要好，處于可靠
性的考慮，STM32 配備了一系列硬件來支持對可靠性的高度要求。這些硬件有：一個低電
壓檢測器，一個時鐘安全管理系統(tǒng)和兩個看門狗定時器。時鐘管理系統(tǒng)可以檢測到外部主振
蕩器的失效，并隨即安全的將STM32 內(nèi)部8MHZ 的RC 振蕩器切換為主時鐘源。兩個看門狗
定時器中的一個稱為窗口看門狗。窗口看門狗必須在事先定義好的時間上下限到達之前刷新，
如果過早或過晚的刷新它，將會觸發(fā)窗口看門狗復(fù)位。第二個看門狗稱為獨立看門狗。獨立
看門狗使用外部振蕩器驅(qū)動，該振蕩器與主系統(tǒng)時鐘是相互獨立的，這樣即便STM32 的主
系統(tǒng)時鐘崩潰，獨立看門狗也能“力挽狂瀾”。
在現(xiàn)代電子設(shè)計行業(yè)中，有一個問題是無法逃避的，那就是你不得不想方設(shè)法提高代碼的安
全性以防止被破解人員盜用。聽師傅說，在極難得電子市場，復(fù)制一個芯片只需要幾分鐘。
STM32 可以鎖住其內(nèi)部Flash 使破解人員無法通過調(diào)試端口讀取其內(nèi)容。當Flash 的讀保護
功能開啟后，其寫保護功能也隨之開啟。寫保護功能常用于防止一些來歷不明的代碼寫入中
斷向量表。但是，寫保護不僅可以保護中斷向量表，還可以進一步將其保護范圍延伸到整個
Flash 中的未被使用區(qū)域。另外，STM32 還有一小塊電池備份RAM 區(qū)，這個RAM 區(qū)域?qū)?yīng)
于一個入侵檢測引腳應(yīng)用，當這個引腳上產(chǎn)生電平變化時，STM32 會認為遭遇了入侵事件，
隨即自動將電池備份RAM 區(qū)的內(nèi)容全部清除。
目前好多開發(fā)工具都開始支持Thumb-2 指令集和STM32 系列，即使不支持也沒有關(guān)系，我
們只需要將軟件升級一下即可。同時，ST 公司還提供了一個設(shè)備驅(qū)動固件庫和一個USB 開
發(fā)應(yīng)用庫，以方便調(diào)用。對于STM32 來說，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，許多開源的或者商用的RTOS，還有一些中間件（比如TCP/IP 棧，文件系
統(tǒng)）對以STM32 系列微控制器來說也是可用的。
Cortex-M3 還帶有一個全新調(diào)試系統(tǒng)CoreSight。用戶可以使用標準的JTAG 接口或者雙線串
行接口通過調(diào)試端口（Debug Access Port）實現(xiàn)和CoreSight 系統(tǒng)的對接。除了提供調(diào)試運行
控制服務(wù)之外，STM32 上的CoreSight 還提供斷點數(shù)據(jù)查看功能以及一個指令跟蹤器。指令
跟蹤器可以將用戶選擇的應(yīng)用信息上傳到調(diào)試工具里。從而可以為用戶提供額外的調(diào)試信息，
并且它在軟件運行期間同樣可以使用。
“入門既不難，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，將來就一定能在魅力的電子世界里遨游。
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發(fā)表于 2018-4-13 14:38:31
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