物联网之STM32开发一（基础知识）

一、ARM体系结构概述

内容概述：

必须要get到的ARM知识

Cortex-M0处理器介绍

认识STM32

STM32F0硬件平台介绍

必须要get到的ARM知识：

STM32的核心部件CPU是Cortex-M 系列处理器

ARM处理器家族：

早先经典处理器 包括ARM7、ARM9、ARM11家族。  

Cortex-M 系列 为单片机驱动的系统提供的低成本优化方案，应用于传统 的微控制器市场，智能传感器，汽车周边部件等。

Cortex-A 系列 针对开放式操作系统的高性能处理器； 应用于智能手机，数字电视，智能等高端运用。  

Cortex-R 系列 针对实时系统、满足实时性的控制需求； 应于汽车制动系统，动力系统等。

ARM处理器架构：

概念：体系结构定义指令集和基于这一体系结构下处理器的 编程模型（基本数据类型、工作模型、寄存器组）。基于同种体系结构可以有多种处理器、每个处理器的性能不同，面向的应用领域也不同。

ARM体系结构发展：

    目前ARM体系架构共定义了8个版本V1-V8

    V1-V3 最早的版本，目前已废弃

    V4-V6 经典处理器中运用的比较多

    V7  目前Cortex系列处理器主要是这种架构、支持Thumb-2的32位指令集

    V8 兼容ARMv7架构的特性，并支持64位数据处理

ARM指令集：

指令集的概念：处理器能够识别并执行的指令集合；每一条指令可处理一个简单或复杂操作（加、加乘…）；每一条指令对应一条或几条汇编指令。

指令集常见分类：

    复杂指令集（CISC）：包含处理复杂操作的特定指令，指令长度不固定，执行需要多个周期。

    精简指令集（RISC）：指令简单而有效，格式和长度通常是固定的，大多数指令在一个周期内可以执行完毕，ARM的内核是基于RISC体系结构的

SOC的概念：

SOC(片上系统)指的是在单个芯片上集成一个完整的计算机系统，所谓完整的系统一般包括中央处理器(CPU)、存储器、以及外围电路等。

Cortex-M0处理器介绍

主要内容：

Cortex-M0处理器简介

Cortex-M0体系结构

Cortex-M0异常和中断

Cortex-M0指令集

Cortex-M0处理器简介：

Cortex-M 系列产品主要包括 Cortex-M0、Cortex-M1、Cortex-M3、Cortex-M4、Cortex-M7 等，其中 Cortex-M0 主打低功耗和混合信号的处理，M3 主要用来替代 ARM7,重点侧重能耗与性能的平衡，而 M7 则重点放在高性能控制运算领域。

注：STM32F051微控制器内核就是ARM Cortex-M0

Cortex-M0结构框图：

Cortex-M0 微处理器主要包括处理器内核、嵌套向量中断控制器（NVIC）、调试子系统、内部总线系统构成。Cortex-M0 微处理器通过精简的高性能总线（AHB-LITE）与外部进行通信。

Cortex-M0特性：

Thumb 指令集，高效、高代码密度；

高性能，使用ARMv6-M的体系架构；

中断数量可配置（1~32 个），4 级中断优先级，低中断切换时延，提供不可屏蔽中断（NMI）输入保障高可靠性系统；

门电路少，低功耗，处理器可在休眠状态下掉电以降低功耗，还可被 WIC 唤醒；

与 Cortex-M1 处理器兼容，向上兼容 Cortex-M3 和 Cortex-M4 处理器，可以很容易地升级到 Cortex-M3。Cortex-M3 和 Cortex-M4 移植到 Cortex-M0 也非常简单。

支持多种嵌入式操作系统，也被多种开发组件支持，包括 MDK（ARM Keil 微控制器开发套件）、RVDS（ARM RealView 开发组件）、IAR C 编译器等。

Cortex-M0工作模式：

Cortex-M0有两种工作模式和两种工作状态：

    线程模式（Thread Mode）： 芯片复位后，即进入线程模式，执行用户程序；

    处理模式（Handler Mode）。 当处理器发生了异常或者中断，则进入处理模式进行处理、处理完成后返回线程模式。

    Thumb状态：正常运行时处理器的状态

    调试状态：调试程序时处理器的状态

Cortex-M0寄存器组——通用寄存器：

Cortex-M0 处理器内核有 13 个通用寄存器以及多个特殊寄存器，如图 所示。具体介绍如下：

R0-R12：通用寄存器。其中 R0-R7 为低端寄存器，可作为 16 位或 32 位指令操作数，R8-R12 为高端寄存器，只能用作 32 位操作数

R13：堆栈指针 SP，Cortex-M0 在不同物理位置上存在两个栈指针，主栈指针 MSP，进程栈指针 PSP。在处理模式下，只能使用主堆栈，在线程模式下，可以使用主堆栈也可以使用进程堆栈，这主要是由 CONTROL 寄存器控制完成。 系统上电的默认栈指针是MSP

R14：连接寄存器(LR)，用于存储子程序或者函数调用的返回地址

R15：程序计数器（PC），存储下一条将要执行的指令的地址。

Cortex-M0寄存器组——特殊寄存器：

xPSR：组合程序状态寄存器，该寄存器由三个程序状态寄存器组成：

    应用PSR（APSR）：包含前一条指令执行后的条件标志

    中断PSR（IPSR）：  包含当前ISR的异常编号

    执行PSR（EPSR）   ：  包含Thumb状态位

PRIMSK：中断屏蔽特殊寄存器。

CONTROL：控制寄存器。

    控制处理器处于线程模式时，使用哪个堆栈：

        =0，使用MSP

        =1，使用PSP

        处理器模式时，固定使用MSP

Cortex-M0异常和中断：

Cortex-M0 处理器最多支持 32 个外部中断（通常称为 IRQ）和一个不可屏蔽中断（NMI），另外 Cortex-M0 还支持许多系统异常（Reset、HardFault、SVCall、PendSV、SysTick），它们主要用于操作系统和错误处理，参见下表

Cortex-M0指令集：

ARM 处理器支持两种指令集：ARM 和 Thumb。

EPSR 寄存器的 T 标志位负责指令集的切换，Cortex-M0只支持Thumb指令。

ARM指令集：32位精简指令集； 指令长度固定； 降低编码数量产生的耗费，减轻解码和流水线的负担。

Thumb指令集：Thumb指令集是ARM指令集的一个子集； 指令宽度16位； 与32位指令集相比，大大节省了系统的存储空间； Thumb指令集不完整，所以必须配合ARM指令集一同使用。

注：Thumb 与 ARM 相比，代码体积小了 30%，但性能也低了 20%。2003 年，ARM 公司引入了 Thumb-2 技术，具备了一些 32 位的 Thumb 指令，使得原来很多只有 ARM 指令能够完成的功能，用 Thumb 指令也可以完成了。Cortex-M0 基于的 ARMv6-M 体系结构，该体系结构的处理器只是用了16位Thumb指令和部分32位Thumb指令

认识STM32

内容概述： 

STM32的应用

STM32产品的介绍

STM32产品命名规范

STM32F0体系架构

STM32：从字面上来理解，ST 是意法半导体，M 是 Microelectronics 的缩写，32 表示32 位，合起来理解，STM32 就是指 ST 公司开发的 32 位微控制器。在如今的 32 位控制器当中，STM32 可以说是最璀璨的新星，它受宠若娇，大受工程师和市场的青睐，无芯能出其右。

STM32的应用：

可穿戴 物联网 无人机 工业控制 医疗电子 汽车电子 电力系统 石油系统 燃气系统 …….

STM32产品介绍：

STM32产品命名规范：

STM32F0系统架构：

系统主要由以下几个模块组成 :

    二个主模块 :

        Cortex-M0 内核及先进高性能总线 (AHB bus)

        通用 DMA ( GP-DMA -- general-purpose DMA)

    四个从模块 :

        内部 FLASH

        内部SRAM

        专门用于连接 GPIO 口的 AHB2

        AHB 到 APB 的桥 , 所有的外设都挂在 APB 总线上

STM32F0硬件平台介绍

二、STM32开发环境搭建

内容概要：

Keil MDK-ARM简介及安装

STM32CubeMX简介及安装

STM32F0存储器映射

STM32F0启动文件分析

Keil MDK-ARM简介及安装

。。。略

STM32CubeMX简介及安装 

。。。略

STM32F0存储器映射

内容概述：

Cortex-M0存储器映射

STM32F0存储器映射

寄存器的访问方式

Cortex-M0存储器映射：

存储器本身没有地址，给存储器分配地址的过程叫存储器映射

注：被控单元的FLASH，RAM和AHB到APB的桥（即片上外设），这些功能部件共同排列在一个 4GB 的地址空间内。我们在编程的时候，可以通过他们的地址找到他们，然后来操作他们

STM32F0存储器映射：

可寻址4GB字节空间

多达64KB片上闪存

多达8K的SRAM

STM32F05x 存储器映像和外设寄存器编址：在芯片手册上可查到

寄存器访问：

以GPIOA寄存器组为例，读写ODR寄存器方法：

已知GPIOA的起始地址为0x48000000

各寄存器的偏移地址如下：

MODER;             /*Address offset: 0x00 */

OTYPER;            /*Address offset: 0x04 */

OSPEEDR;        /*Address offset: 0x08 */

PUPDR;             /*Address offset: 0x0C */

IDR;                    /*Address offset: 0x10 */

ODR;                 /*Address offset: 0x14 */

BSRR;              /*Address offset: 0x18 */

LCKR;              /*Address offset: 0x1C */

第一种方式：对地址进行宏定义

#define     GPIOA_BASE        ( (unsigned int ) 0x48000000 )
#define     GPIOA_ODR         ( GPIOA_BASE  +  0x14 )

读操作
val  = *(unsigned int *) GPIOA_ODR  ;

写操作
*(unsigned int *)  GPIOA_ODR = val  ;

改进

#define     GPIOA_ODR    （ *(unsigned int *) ( GPIOA_BASE  +  0x14 )）

val  = GPIOA_ODR  ;    //读
GPIOA_ODR = val  ;     //写

第二种方式：用结构体封装寄存器

用上面的方法去定义地址，还是稍显繁琐、根据我们每一类外设对应的寄存器组地址都是连续增长的特点，我们引入 C 语言中的结构体语法对寄存器进行封装

typedef struct {
uint32_t		MODER;        	 /*Address offset: 0x00 */
uint32_t		OTYPER; 	/*Address offset: 0x04 */
uint32_t		OSPEEDR; 	/*Address offset: 0x08 */
uint32_t		PUPDR;	 	/*Address offset: 0x0C */
uint32_t		IDR; 		/*Address offset: 0x10 */
uint32_t		ODR; 		/*Address offset: 0x14 */
uint32_t		BSRR; 		/*Address offset: 0x18 */
uint32_t		LCKR; 		/*Address offset: 0x1C */
} GPIO_TypeDef;

#define     GPIOA_BASE        ( (unsigned int ) 0x48000000 )
#define     GPIOA	 ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)

注：我们访问GPIOA的控制寄存器组时、直接使用宏定义好

        GPIO_TypeDef 类型的指针，而且指针指向 GPIOA端口的首地址，这样我们直接用宏GPIOA访问改外设的任意一个寄存器

        GPIOA->MODER     =  0x20 ;

        GPIOA->OSPEEDR  =  0x16 ;

STM32F0启动文件分析

内容概要：

STM32F0启动模式

C语言程序内存排布

启动文件startup_stm32f051.s分析

STM32F0的启动模式：

注：Cortex-M0 的程序映像通常是从地址 0x00000000 开始的、系统复位后，处理器首先读取向量表中的前两个字（8 个字节），第一个字存入 MSP，第二个字为复位向量，它表示程序执行的起始地址（复位处理）

根据启动模式的不同，用户闪存、系统闪存和SRAM都 可以映射到0x0的低端地址；      

我们的板子boot0直接接地，因此启动区域为flash启动

C语言内存排布：

注：栈的作用是用于局部变量，函数调用，函数形参等的开销        

        堆主要用来动态内存的分配

STM32F051启动文件分析：

源码及分析过程链接：https://pan.baidu.com/s/1R7ggGedaR4Zsxhzeis_8vg 密码：7060

注：使用keil打开最佳