物联网ARM开发-1STM32背景知识

目录

一、ARM背景知识

1、ARM含义

2、ARM处理器架构

3、指令集

4、SOC（片上系统）

二cortex-M4

1、cortexM家族

2、M4特性

3、M结构框图

4、工作模式

5、寄存器组-通用寄存器

6、特殊寄存器

7、异常和中断

8、Cortex-M4指令集

三、认识STM32

1、应用

2、产品命名规范

3、stm32f4系统架构

4、硬件平台介绍

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一、ARM背景知识

1、ARM含义

ARM（Advanced RISC Machines）有三种含义：       

• 它是一个公司的名称
• 它是一类微处理器的通称
• 它是一种技术的名称。

ARM 公司是微处理器行业的一家知名企业。知识产权供应商设计基于ARM体系的处理器；公司并不生产芯片，也不出售芯片；转让设计方案给半导体厂商，由半导体厂商生产soc，并销售；提供一些其他设计服务，比如物理IP，图形内核和开发工具的设计。

• 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，服务器等高端运用。
• Cortex-R 系列针对实时系统、满足实时性、高可靠性控制需求；应于汽车制动系统，动力系统，移动通信基带控制器等。

2、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。

3、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

4、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。

二cortex-M4

1、cortexM家族

• Cortex-M0 ：主打低功耗和混合信号的处理
• Cortex-M1 ：应用于FPGA的应用控制领域
• Cortex-M3和Cortex-M4 主要用来替代 ARM7,重点侧重能耗与性能的平衡 
• Cortex-M7： 则重点放在高性能控制运算领域。

2、M4特性

• ARMCortex™-M4处理器内核是在Cortex-M3内核基础上发展起来的，其性能比Cortex-M3提高了20%。新增加了浮点、DSP、并行计算等。
• RISC处理器内核：高性能32位CPU
• Thumb-2 指令集，高效、高代码密度；
• 高性能，使用ARMv7-M的体系架构支持DSP和SIMD；
• 中断数量可配置（1~240个），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；
• 低功耗模式：集成的睡眠状态支持、多电源域、基于架构的软件控制；
• 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。

3、M结构框图

Cortex-M 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-M 微处理器通过精简的高性能总线（AHB-LITE）与外部存储器及外设进行通信。

4、工作模式

Cortex-M4有两种工作模式和两种工作状态：

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。
在该模式下处理器具有特权访问等级，可以访问处理器中的所有资源。

线程模式（Thread Mode）：    
芯片复位后，即进入线程模式，执行普通用户程序；
可以处于特权或非特权模式，访问等级由CONTROL寄存器控制

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，调试器可以访问或修改处理器中寄存器的值。

5、寄存器组-通用寄存器

Cortex-M4 处理器内核有 13 个通用寄存器以及多个特殊寄存器。

 

• 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-M4 在物理位置上存在两个栈指针，主栈指针 MSP，进程栈针 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。

6、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   [PRIV]: 为0,处理器处于线程模式的特权级，为1为非特权级   [SPSEL] :  为0时，线程模式使用MSP，为1时使用PSP

处理器模式时，固定使用MSP

 

7、异常和中断

Cortex-M4 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，参见表      另外， Cortex-M4 处理器最多支持 240 个中断输入

 

8、Cortex-M4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-M4基于的 ARMv7-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

三、认识STM32

1、应用

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。

 

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2、产品命名规范

 

3、stm32f4系统架构

• STM32F407 采用的是 Cortex-M4 内核，内核即 CPU，由 ARM公司设计。
• ARM 公司并不生产芯片，而是出售其芯片技术授权。
• 芯片生产厂商(SOC)如 ST、TI、Freescale，负责在内核之外设计部件并生产整个芯片    
• 这些内核之外的部件被称为核外外设或片上外设。如 GPIO、USART（串口）、I2C、SPI等都叫做片上外设。

4、硬件平台介绍

实验使用的是原子的stm32f407zg6的开发板。结合厂商的硬件原理图、结合芯片手册、数据手册完成开发。