stm32学习笔记---STM32背景知识

一、必须要get的ARM知识

1、ARM：

微控制器：CPU（ARM）,FLASH,外设接口
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。

1.1、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，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。

1.2、ARM处理器架构

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

2、ARM指令集的概念

2.1、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。

2.2、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

3、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。

二、Cortex-M4概述

1、Cortex-M家族简介

Cortex-M 系列产品主要包括 Cortex-M0、Cortex-M1、Cortex-M3、Cortex-M4、Cortex-M7 等

• 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、Cortex-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、Cortex-M4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、Cortex-M4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、Cortex-M4寄存器组

5.1、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，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-M4 在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。
  

5.2、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
  

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。

6、Cortex-M4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

7、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。

三、认识STM32

1、什么是STM32

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。

2、STM32产品介绍

3、STM32产品命名规范

4、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。