零基础入门STM32编程（三）

前情回顾

通过前面两篇文章的学习，我们已经对STM32有了一定的了解，知道了STM32单片机的基本分类和不同产品间的特点等知识，今天起围绕STM32F103xx继续深入浅出地学习单片机编程。

一、总线知识

1.1 总线

在拿到芯片资料后，第一点需要关注的就是芯片的系统架构。该架构主要由驱动单元和被动单元两部分组成。

• 驱动单元

Cortex®-M3 core的D总线和系统总线

通用DMA

• 被动单元

内部SRAM

内部FLASH

FSMC（可连接大屏幕）

AHB 到 APB 的桥(AHB2APBx)，它连接所有的 APB 外设。

如下图所示，可以从图中看到Cortex-M3 核心，该内核是ARM公司的数字电路流片的产品，数字电路也就是逻辑电路经过FPGA测试符合要求后流片产生IP(知识产权)，这是ARM公司的业务。然后ARM公司通过授权把cortex内核卖给ST公司等芯片公司。芯片公司将内核通过 ICode，DCode，System三种总线，与外设进行连接（如图中的DMA、定时器、USART、I2C等）。

这里补充一下总线知识点：

 总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束， 按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。

AHB(Advanced High-performance Bus)是AMBA 总线的一部分，而AMBA是由ARM公司研发推出的一种高级微控制器总线架构(Advanced Microcontroller Bus Architecture)。其中AMBA包含了四种不同的总线标准，分别是：

• AHB

 AHB总线互联

• ASB
• APB
• AXI

其中AXI是在AMBA3.0的协议中增加的，熟悉xilinx FPGA的小伙伴们应该是比较熟悉的，可以用于ARM和FPGA的高速数据交互。

剩下的三种是在AMBA2.0协议中定义的总线标准：

• AHB是高级高性能总线，通常用于CPU和高性能设备之间的交互，类比于现代PC的北桥。
• ASB常用于高性能系统模块间的交互，在开发中相比剩下的几种不是非常常用。
• APB(Advanced Peripheral Bus)，外围总线的意思。该总线协议是ARM公司提出的AMBA总线结构之一，几乎已成为一种标准的片上总线，APB主要用于低带宽的周边外设之间的连接，例如UART、1284等，它的总线架构不像AHB支持多个主模块，在APB里面唯一的主模块就是APB 桥。APB和AHB相连接，在STM32中，APB总线分为APB1和APB2两种，分别挂载不同的设备。其中，APB1负责DA,USB,SPI,I2C,CAN,串口2345,普通TIM； APB2负责AD,I/O,高级TIM,串口1。

1.2 时钟频率

APB1的最大时钟频率要低于APB2的最大时钟频率。

时钟频率是一个非常重要的知识点，和大家日常接触到的CPU主频一样，就可简单理解为频率越高数据传输和处理速度就越快。如下图所示，STM32单片机各个外设均工作在不同的时钟频率下，就是各个外设的工作节奏，如同大家的生活节奏。

二、STM32F103系统架构

2.1 STM32F103XX工作原理

STM32F103XX的单片机实物图如下图所示，芯片的丝印信息给出了芯片的型号，生产地址以及批次号等。型号具体含义参见《零基础入门STM32编程（一）》。

STM32F103XX的原理框图如下图所示。单片机芯片由3.6V外部电源供电，系统内核Cortex-M3连接I-bus（指令总线），将指令从存储器中取到Cortex-M3中。所以这条总线与内部的flash连着；cortex-M3通过D-bus（数据总线）从存储器中取数据，可以用于变量的载入或者debug；cortex-M3通过System总线用来加载外设或者SRAM的数据，这条总线的另一端连接着SRAM，AHB外设（包括APB1/APB2外设）。

这里提到了一个专业词汇：外设，是指STM32中除了内核Cortex-M3 CPU和总线之外的硬件电路，如下图中的普通IO、定时器（TIM）、串口（UART）、SPI等硬件电路。这里的外设进一步分为内部外设和外部外设两种。顾名思义，内部外设是ST公司已将一些常用的外部电路集成到了购买的STM32F103XX单片机电路中，方便用户直接使用；如果这些集成在单片机中的外设还不能满足用户的工作需求，那么就需要用户自己连接自己的硬件设备了，如连接摄像头和显示屏等。

从下图可以看出，一些常用外设分别挂在在APB1和APB2总线上。APB1的时钟频率限速于36MHz，主要挂载了普通TIM定时器、USART2、I2C、CAN、USB和SRAM等外设；APB2的时钟频率限速于72MHz，主要挂载了通用IO、TIM1定时器、SP1、USART1、温度传感器和ADC等外设。

 2.2 内置外设的种类和数量

STM32F103XX的内置外设的组成见下表，该系列的USART口仅有2个，CAN口1个，定时器TIM共3个，麻雀虽小五脏俱全，后面的学习将围绕这些外设展开。 

2.3 主要参数分析

• 主频

STM32F103XX的最大主频为72MHz，从下图可知，系统时钟的来源分为内部8MHz时钟和外部16MHz时钟两种。此时可知不论是内部时钟还是外部时钟均没有达到72MHz，此时STM32单片机提供了一种叫做PLL（锁相环）的电路，帮助我们实现任务工作频率的愿望。

首先，讲解内部8MHz时钟电路，8MHz晶振的输出分两路，一路直接输出至SW(选择开关)；另一路经分频后得到4MHz频率（8MHz除2）进入PLLMUL(锁相环)进行倍频（4MHz频率的整数倍，此时最大时钟4MHz*16=64MHz）后输出至SW(选择开关)；由内核根据程序配置控制SW(选择开关)选择时钟来源，供芯片使用。

 其次，分析外部时钟源电路。先看内部晶振的频率精度，见下表，从表中可知，精度为2%。

对于高精度ADC采集应用而言，内部晶振的精度远不能满足，因此STM32可接外部高精度晶振，主要可分为有源晶振和无源晶振。

常见的温补晶振如下图所示，精度有±0.25ppm、±0.6ppm、±1.0ppm、±2.0ppm等，ppm为百万分之一，可见远高于内部晶振精度。比如，12MHz晶振偏差为±20ppm，表示它的频率偏差为12×20Hz=±240Hz，即频率范围是（11999760～12000240Hz）。

无源晶振

无源晶振为2只引脚，频率精度低于温补精度。

外接晶振最大频率不超过16MHz，可分两路进入芯片，一路直接进入PLLXTPRE；另一路分频后进入芯片的PLLXTPRE，最后均输出至SRC与内部晶振汇合。