STM32 结构

从“2.2 ARM与STM32的关系”可知，ARM公司负责设计内核，半导体芯片厂商拿到内核授权后，根据产品需求，添加各类组件，生产芯片售卖。如图 6.1.1 所示，为STM32的组成示意图，其中Cortex-M3内核、调试系统都是ARM公司设计，内部总线、外设、存储、时钟复位等都由ST公司开发。

在编程之前，对STM32的总线结构、存储结构、外设寄存器等有个大致了解，有助于理解编程中的一些操作。此外，中断与异常（Nested Vectored Interrupt Controller，NVIC）、时钟复位（Reset and Clock，RCC）也很重要，且与编程紧密相关，在后面相关实验章节里再专门讲解。

对于开发者，掌握一款MCU的开发需要重点关注四大模块：时钟复位、中断异常、存储映射和外设寄存器组。

STM32 总线结构

总线（Bus）是各种信号线的集合，是嵌入式系统中各布件之间传输数据信息、地址信息和控制信息的公共通道。

与总线相关的主要参数有总线宽度、总线频率和总线带宽。总线宽度是指总线能同时传输的数据位数， 如8位、32位、64位；总线频率是指总线的工作速度，频率越高，速度越快；总线带宽用来描述总线传输数据的快慢，总线带宽=总线宽度x总线频率/8，单位为MB/s。

STM32的总线结构如图 6.1.2 所示，可以分为6部分。

1. ICode总线：（Instruction bus）用于访问存储空间里指令的总线；
2. DCode总线：（Data bus）：用于访问存储空间里数据的总线；
3. System总线：用于访问指令、数据以及调试模块接口；
4. DMA总线：用于内存与外设之间的数据传输；
5. Bus matrix（总线矩阵）：用于总线之间的访问优先级管理控制；
6. APB总线：用于外设接口的数据传输；ARM公司推出AMBA片上总线结构，该总线主要包含先进高速总线（Advanced High-speed Bus，AHB）和先进外设总线（Advanced Peripheral Bus，APB），分别连接高速设备和低速设备。基于这个总线结构，ICode、Dcode、System Bus都是AHB总线。这里AHB系统总线经过两个AHB-APB桥转换成了两个APB总线。APB1上挂接有DAC、UART等外设，其最高频率可达36MHz；APB2上挂接有ADC、GPIO等外设，其最高频率可达72MHz。

在MCU每次复位后，所有的外设时钟都会默认处于关闭状态。因此，在使用外设前需要操作复位和时钟寄存器(Reset and Clock Control，RCC)开启所需外设的时钟。

STM32 存储结构

CPU通过总线访问各个外设，现在通往外设的“路”已经铺好，还需要规定各个外设的“门牌号”，以 便精准控制每个外设。ARM Cortex-M3系列的处理器，采用存储器与I/O设备（外设）统一编址的方式，将部分存储器地址范围用于外设，这种通过存储器地址访问外设的方式，称为存储器地址映射。

对于32位的处理器，可寻址的范围为232字节，即232 = 4 × 1024 × 1024 × 1024 = 4𝐺𝐺𝐺𝐺，也就是0x00000000至0xFFFFFFFF。ARM将这4G空间从低地址到高地址依次划分为代码区（Code）、片上SRAM区 （SRAM）、片上外设（Peripheral）、片外RAM（External RAM）、片外外设（External Device）和系统级 （System level），如图 6.1.3 所示。

ARM公司只是大概的规定了存储器空间的映射，允许各芯片厂商在指定范围内自行定义和使用这些存储空间，未分配的空间为保留的地址空间。

STM32在ARM规定的基础上，将4G空间分为了Block0、Block1、Block2、……、Block7，共8块，每块大小为512MB，如下表 6.1.1 所示，详细结构如图 6.1.4 所示。

1. 0x0000 0000 ~ 0x1FFF FFFF(512MB)：作为代码区，用于存放下载的代码。系统上电后，将从该部分读取代码；
2. 0x2000 0000 ~ 0x3FFF FFFF(512MB)：作为SRAM区，用于存放运行代码。系统上电后，将从Flash读取代码，放到SRAM里，CPU再从SRAM读取代码运行；
3. 0x4000 0000 ~ 0x5FFF FFFF(512MB)：作为片上外设区，用于存放厂商外设寄存器。要操作外设，即修改这里对应的外设寄存器；注意这里的RCC和PortB外设的地址范围，后面很快就会用到；
4. 0x6000 0000 ~ 0x9FFF FFFF(1GB)：作为片外RAM，用于扩展RAM。当SRAM或者Flash不够用时，MCU通过FSMC外接其它IC芯片，则在这个地址范围读写IC芯片数据；
5. 0xA000 0000 ~ 0xDFFF FFFF(1GB)：作为片外外设区，用于读写扩展IC芯片的寄存器。ST只用了这里的一半空间，另外一空间未使用；
6. 0xE000 0000 ~ 0xFFFF FFFF(512MB)：作为内核外设区，用于存放Cortex-M3内核的内部外设。CortexM3内核的内部外设有NVIC、Systick等；

STM32 寄存器

寄存器是用来存储二进制数据的时序逻辑电路，由众多晶体管组成。

前面提到的寄存器，都是外设寄存器。这些外设寄存器由芯片厂商设计，与存储器统一编址，常用C语言的指针来表示外设寄存器地址，实现对外设寄存器的访问和操作。

在嵌入式系统中，除了外设寄存器，还有一类叫CPU内部寄存器。这些内部寄存器由ARM设计，在CPU内部，常用汇编语言直接操作，用于暂存参与运算的数据和内核的一些控制。

开发人员，通常只操作外设寄存器实现需求功能，后面实验会详细讲解外设寄存器。而内部寄存器在实际开发中接触会比较少，后面汇编点灯实验会涉及部分相关知识，本小结简单介绍下内部寄存器。

ARM Cortex-M3微处理器的内部寄存器，又分为普通寄存器和特殊功能寄存器。普通寄存器如图 6.1.5所示。

1. R0-R12（General-Purpose Registers）：用于数据操作的32位通用寄存器；一些16位的Thumb指令，只能访问低寄存器（R0~R7）；
2. R13（Stack Pointers，SP）Cortex-M3包含两个堆栈指针寄存器；同一时刻只能看到其中一个；
   （1）主堆栈指针寄存器（Main Stack Pointer，MSP）：操作系统（OS）内核和异常处理程序使用的默认堆栈指针；
   （2） 进程堆栈指针寄存器（Process Stack Pointer，PSP）：用于用户代码；
3. R14（Link Register，LR）：链接寄存器；调用子例程时，返回地址将存储在链接寄存器中；
4. R15（Program Counter，PC）：程序计数器；总是指向下一条指令所在单元的地址，可以写入该寄
   存器以控制程序流；

Cortex-M3处理器还具有许多特殊寄存器，如图 6.1.6 所示。

5. xPSR（Program Status registers）：程序状态寄存器；用于存放程序运作中的各种状态信息以及中断等状态；由应用状态寄存器（APSR）、中断状态寄存器（IPSR）和执行状态寄存器（EPSR）组成；
6. PRIMASK、FAULTMASK和BASEPRI：中断屏蔽寄存器；用于控制异常和中断的屏蔽；
7. CONTROL：控制寄存器；用于定义特权状态和当前使用哪一个堆栈指针；

【总结】

• STM32由ARM公司设计的Cortex-M3内核与ST公司开发的外设资源组成。

• Cortex-M3内核有内部寄存器，主要用于运算和内核的控制，这块对于初学者较难，暂时了解即可。

• Cortex-M3内核通过总线和外设连接，重点了解大部分外设都挂载APB即可。

• STM32采用存储器与外设统一编址的方式，控制外设，则对应操作指定地址的外设寄存器即可，这是后续实验的重点。

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