STM32 的核心Cortex-M3 處理器

STM32 的核心Cortex-M3 處理器

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

簡言之，Cortex-M3 處理器擁有32 位CPU，并行總線結構，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速度，從收到中斷請求到執(zhí)行中斷服務的第一條指令僅需12 個周期。這種極快的響應速度一方面得益于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，使連續(xù)而來的中斷可以在6 個時鐘周期內(nèi)得到服務。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)總結的。用戶可以通過設置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)。

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。這種設計使得開發(fā)人員可以進行更為精密的程序設計，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++編譯器設計，這就意味著Cortex-M3 系列處理器的開發(fā)應用可以全部在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 和更復雜外設的版本就已經(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，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，足以應付微控制器應用中常見的數(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)谝粋€入侵檢測引腳應用，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備驅(qū)動固件庫和一個USB 開發(fā)應用庫，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。