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(biāo)準(zhǔn)化的微控制器結(jié)構(gòu)，希望思考一下，何為標(biāo)準(zhǔn)化?

簡(jiǎn)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(biāo)準(zhǔn)的存儲(chǔ)映射。

嵌套中斷向量控制器(Nested Vector Interrupt Controller,簡(jiǎn)稱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(biāo)準(zhǔn)的中斷架構(gòu)和優(yōu)秀的中斷響應(yīng)能力，為超過(guò)240 個(gè)中斷源提供專門(mén)的中斷入口，而且可以賦予每個(gè)中斷源單獨(dú)的優(yōu)先級(jí)。利用NVIC 從可以達(dá)到極快的中斷響應(yīng)速度，從收到中斷請(qǐng)求到執(zhí)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(yīng)速度一方面得益于Cortex-M3 內(nèi)核對(duì)堆棧的自動(dòng)處理機(jī)制，這種機(jī)制是通過(guò)固化在CPU 內(nèi)部的微代碼實(shí)現(xiàn)的。另一方面，在中斷請(qǐng)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(lái)的中斷可以在6 個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)得到服務(wù)。在中斷的壓棧階段，更高優(yōu)先級(jí)的中斷可以不耗費(fèi)任何額外的CPU 周期就能完成嵌入低優(yōu)先級(jí)中斷的動(dòng)作。具體的細(xì)節(jié)后面我會(huì)繼續(xù)總結(jié)的。用戶可以通過(guò)設(shè)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(yùn)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(dú)立的堆棧。這種設(shè)計(jì)使得開(kāi)發(fā)人員可以進(jìn)行更為精密的程序設(shè)計(jì)，對(duì)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)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(nèi)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 專門(mén)為C/C++編譯器設(shè)計(jì)，這就意味著Cortex-M3 系列處理器的開(kāi)發(fā)應(yīng)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(biāo)志著ST 公司在兩條產(chǎn)品主線(低價(jià)位主線和高性能主線)上邁出了重大一步。STM32 最初發(fā)布時(shí)有14 個(gè)不同型號(hào)，分為兩個(gè)版本：最高CPU 時(shí)鐘為72MHZ的“增強(qiáng)型”和最高CPU 時(shí)鐘為36MHZ 的“基本型”。這些不同STM32 型號(hào)里內(nèi)置的Flash 最大可達(dá)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(hào)的STM32 器件，它們?cè)谝_功能和應(yīng)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(jù)需要隨意更換器件型號(hào)。

乍一看STM32 的設(shè)備配備，與往日熟悉的51 單片機(jī)倒有幾分相似。一般，STM32 都會(huì)配備常見(jiàn)外設(shè)，諸如多通道ADC,通用定時(shí)器，I2C 總線接口，SPI 總線接口，CAN 總線接口，USB控制器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC 等。但是，它的每一個(gè)外部設(shè)備都具有獨(dú)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(gè)內(nèi)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(jí)的9 種轉(zhuǎn)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 有專門(mén)為電機(jī)控制而設(shè)的高級(jí)定時(shí)器，帶有6 個(gè)死區(qū)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(xiàn)時(shí)，強(qiáng)迫PWM 信號(hào)輸出保持在一個(gè)預(yù)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(jié)和16 位半字?jǐn)?shù)據(jù)的CRC 計(jì)算。在對(duì)SD 或MMC 等存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)存取時(shí)相當(dāng)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(shè)備與內(nèi)存之間進(jìn)行8 位，16 位，32 位數(shù)據(jù)的傳輸。每個(gè)設(shè)備都可以向DMA 控制器請(qǐng)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(jiǎn)化了，這就意味著DMA 通道單元是很靈活的其使用方法簡(jiǎn)單，足以應(yīng)付微控制器應(yīng)用中常見(jiàn)的數(shù)據(jù)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(xiàn)也是不錯(cuò)的。它可以在2V 供電的情況下運(yùn)行，在所有設(shè)備同時(shí)打開(kāi)且運(yùn)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(dòng)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(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(duì)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(lái)支持對(duì)可靠性的高度要求。這些硬件有：一個(gè)低電壓檢測(cè)器，一個(gè)時(shí)鐘安全管理系統(tǒng)和兩個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器。時(shí)鐘管理系統(tǒng)可以檢測(cè)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(shí)鐘源。兩個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器中的一個(gè)稱為窗口看門(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(dá)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(fù)位。第二個(gè)看門(mén)狗稱為獨(dú)立看門(mén)狗。獨(dú)立看門(mén)狗使用外部振蕩器驅(qū)動(dòng)，該振蕩器與主系統(tǒng)時(shí)鐘是相互獨(dú)立的，這樣即便STM32 的主系統(tǒng)時(shí)鐘崩潰，獨(dú)立看門(mén)狗也能“力挽狂瀾”。

在現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)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(shè)法提高代碼的安全性以防止被破解人員盜用。聽(tīng)?zhēng)煾嫡f(shuō)，在極難得電子市場(chǎng)，復(fù)制一個(gè)芯片只需要幾分鐘。STM32 可以鎖住其內(nèi)部Flash 使破解人員無(wú)法通過(guò)調(diào)試端口讀取其內(nèi)容。當(dāng)Flash 的讀保護(hù)功能開(kāi)啟后，其寫(xiě)保護(hù)功能也隨之開(kāi)啟。寫(xiě)保護(hù)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(hù)不僅可以保護(hù)中斷向量表，還可以進(jìn)一步將其保護(hù)范圍延伸到整個(gè)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(gè)RAM 區(qū)域?qū)?yīng)于一個(gè)入侵檢測(cè)引腳應(yīng)用，當(dāng)這個(gè)引腳上產(chǎn)生電平變化時(shí)，STM32 會(huì)認(rèn)為遭遇了入侵事件，隨即自動(dòng)將電池備份RAM 區(qū)的內(nèi)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(jí)一下即可。同時(shí)，ST 公司還提供了一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)固件庫(kù)和一個(gè)USB 開(kāi)發(fā)應(yīng)用庫(kù)，以方便調(diào)用。對(duì)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(kù)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(tǒng))對(duì)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(diào)試系統(tǒng)CoreSight。用戶可以使用標(biāo)準(zhǔn)的JTAG 接口或者雙線串行接口通過(guò)調(diào)試端口(Debug Access Port)實(shí)現(xiàn)和CoreSight 系統(tǒng)的對(duì)接。除了提供調(diào)試運(yùn)行控制服務(wù)之外，STM32 上的CoreSight 還提供斷點(diǎn)數(shù)據(jù)查看功能以及一個(gè)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(yùn)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。