【06】STM32·HAL库开发-STM系统框架 | STM32寻址范围 | STM32存储器映射 | STM32寄存器映射
目录
- 1.STM32系统框架（了解）
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- 1.1Cortex M内核 & 芯片
- 1.2F1系统架构
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- 1.2.1F1系统框架简图
- 1.2.2F1系统框架总图
- 1.3F4系统架构
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- 1.3.1F4系统框架简图（F407为例）
- 1.3.2F4系统框架总图
- 1.4F7系统架构
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- 1.4.1多重AHB总线矩阵
- 1.4.2F7系统结构简图
- 1.5H7系统架构
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- 1.5.1H7系统架构简图
- 1.5.2H7总线主设备与总线从设备互连表
- 2.STM32的寻址范围？（了解）
- 3.存储器映射（熟悉）
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- 3.1存储器功能划分（F1为例）
- 3.2Block0（FLASH）功能划分（F1为例）
- 3.3Block1（SRAM）功能划分（F1为例）
- 3.4Block2（外设）功能划分（F1为例）
- 4.寄存器映射（熟悉）
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- 4.1STM32寄存器分类
- 4.2寄存器映射（F1为例）
- 4.3寄存器描述解读（F1为例）
- 4.4寄存器映射举例（F1为例）
- 45寄存器地址计算
- 5.总结（了解）
1.STM32系统框架（了解）
1.1Cortex M内核 & 芯片
Cortex-M3内核或M4/M7等和调试系统都是ARM公司设计，由ARM公司授权给其他芯片厂商，由其他芯片厂商添加内部总线、外设、存储器、时钟和复位 、IO以及芯片外部的外壳。除了内核和调试系统都是有芯片制造商设计开发，比如说ST公司等等。总结成一句话：MCU厂商，经ARM公司授权（授权内核、调试系统，调试系统内嵌到内核里面，绑定在一起的），添加不同的外设 = 各种XX32芯片（例如：ST公司的STM32，还有其他公司的APM32、GD32、MM32、HC32等》）。
1.2F1系统架构
上表中的AHB为高级高性能总线，APB为高级外围总线，二者之间需要一个连接的桥梁。主动单元可以主动发起通信或者给被动单元发送工作指令，被动单元不能向主动单元发送， 该内容参考STM32F10xxx参考手册_V10（中文版）.pdf 2.1小节。
1.2.1F1系统框架简图
下图是F1系统框架简图，以总线矩阵为分界线，左侧为主动单元，总共有四个主动单元，DCode总线也就是D-Bus，System总线也就是S-Bus，以及DMA1和DMA2；右侧为被动单元，要访问APB1或者APB2上的外设，就要经过AHB系统总线再经过桥才能访问挂载在APB1或者APB2上的外设。ICode总线直接连接Flash接口，不需要经过总线矩阵，所以ST公司并没有将其罗列进主动单元或者被动单元，它也属于主动单元，只是没有列进去，没有经过总线矩阵。FLASH中存储程序，内核就可以不通过总线矩阵直接读取程序指令，因为总线上很多条路，可能需要等待。
1.2.2F1系统框架总图
在F1系列中官方给定最大时钟频率为72MHz（不考虑超频的情况，正常稳定工作为72MHz），总线时钟频率：AHB：72MHz (Max)；APB1：36MHz (Max)；APB2：72MHz (Max)。分APB1和APB2不同频率总线的原因是，不同外设需要的频率不同，满足不同外设的频率需求。
在STM32F103ZET6数据手册中，首先找到总线矩阵（Bus Matrix），然后找到四个主动单元、四个被动单元。
下图为M3内核，左侧为芯片外部的接口，可以理解为引出到芯片引脚上的接口，左侧上半部分是跟踪调试用不到，下半部分是下载仿真接口，比如说JTAG接口、SWD接口，右侧的为跟踪调试控制器和左侧上班部分一起使用也用不到。
下图AHB总线上的左侧SDIO用于连接外部的SD卡；左侧的是复位和时钟，连接外部高速晶振；下方是通向APB1和APB2的桥，APB1最大时钟频率为36MHz，右侧很多外设挂载在APB1总线上，
ICode总线也就是Ibus总线，直接连接到内部的FLASH。
当然还有简图上没有的，首先是电源部分：
电源管理部分，后面学习低功耗模式会用到，还有独立看门狗IWDG，后备区域电池VBAT 、RTC等。
此处讲解的为非互联型的小容量、中容量、大容量产品F1系列框架图，在F1系列中还有互联型产品系统框架图，也是类似的，只是添加了网口的主动单元。所以互联型产品中有5个主动单元，且有3个被动单元，在正点原子开发板都不是用的互联型的。
1.3F4系统架构
在F4系统架构中有8个主控总线和7个被控总线。下表中的OTG为主从、HS为高速。如果是F407芯片，将每一辅助没有SRAM3。AHB1总线包含挂载APB1、APB2、AHB1总线上的所有外设，AHB2上并没有桥。
1.3.1F4系统框架简图（F407为例）
首先还是看总线矩阵，S0-S7总共有8个对应的就是8个主控总线。竖直方向M0-M6有7个接口对应被控总线。主控总线连接的是主动发起通信的一方，有小圆圈○的代表路是通的，CCM RAM只能存数据，优点访问速度快（直接和内核连接，通过D总线连接），缺点不支持DMA。
总线时钟频率（红色对应F407，右侧为F429）：
AHB1/2：168/180MHz (Max)
APB1：42/45MHz (Max)
APB2：84/90MHz (Max)
1.3.2F4系统框架总图
F40系统框架总图如下：
首先找到总线矩阵，左侧为8个主控总线，DMA2中有存储器、外设总线所以有根总线指向它；右侧为7个被控总线，D总线和I总线访问FLASH，AHB3其实就是简图中M6连接的FSMC静态存储器控制器；M4内核包含JTAG接口、SWD接口、调试跟踪接口（用不到）、MCU、ETM、NVIC、FPU。CCM data RAM只能存储数据，直接和D-BUS总线连接，被内核直接访问，速度快。AHB3主要挂载了FSMC外设，用于扩展外部存储器。
1.4F7系统架构
1.4.1多重AHB总线矩阵
1.4.2F7系统结构简图
AXI多重AHB就是总线桥，一端通过AXIM总线连接内核，另一端有4个输出，其中一个用64位的总线连接到FLASH。另外三个连接到AHB总线。①上面一排就是12个主控制器，有3个接到总线桥，1个接到AHBP总线与内核连接。② 右侧为8个从控制器，右侧上方第一条是连接到内核，通过DTCM返回到RAM。DTCM RAM即可存放数据，也可存放指令。ITCM RAM支持CPU时钟速度访问，0个等待周期。
总线时钟频率：
AHB1/2：216MHz (Max)
APB1：54MHz (Max)
APB2：108MHz (Max)
1.5H7系统架构
1.5.1H7系统架构简图
AXI总线矩阵、AHB总线矩阵分成了三个域，低功耗模式时可以仅使用用到的域。①为总线主设备，②为总线从设备。
ITCM用于存放程序，DTCM用于存放数据。
总线时钟频率（主频480MHz）：
AHB1/2/3/4：240MHz (Max)
APB1/2/3/4：120MHz (Max)
1.5.2H7总线主设备与总线从设备互连表
表中主设备18和从设备20个，表中数字21代表，经过2、1代表的总线矩阵。
2.STM32的寻址范围？（了解）
32位的单片机可以有32根地址线（每根地址线有两种状态：导通或不导通）；单片机内存地址访问的存储单元是按字节（8位）编址的（而不是bit）。1根地址线，有2个地址，那么最多可以访问2个字节的内存空间。
STM32寻址大小：2^32= 4G（4G是编号数，每个编号都可以访问一个字节）（字节）；STM32寻址范围：0x0000 0000 ~ 0xFFFF FFFF
3.存储器映射（熟悉）
存储器指可以存储数据的设备（比如说SRAM、FLASH等），本身没有地址信息，对存储器分配地址的过程称为存储器映射。
下图是星忆可以的XRAM芯片，可以理解为SRAM的升级版，芯片有19根地址线（可以访问的地址编号个数为219=512K）、16根数据线（每个编号按2个字节进行编址，所以该芯片容量为2×512k=1024k=1MB）。将该芯片进行存储器映射，地址范围0512k，映射方式很多种，比如说映射到0~512k（从0x00x80000），还有其他映射方式如下所示：
上面的芯片一个地址可以访问两个字节，单片机一个地址可以访问一个字节。以下以F1系列为例，其他划分可以在正点原子任意型号开发板开发指南的5.3.3小节的存储器映射找到存储器划分。
3.1存储器功能划分（F1为例）
ST将4GB（2^32）地址空间分成8个块。挂载在APB1、APB2上的外设全部映射在Block2存储块。具体的映射图可以参考STM32F103ZET6.pdf（英文版数据手册），H7系列可以查找参考手册《存储器组织结构》部分。
3.2Block0（FLASH）功能划分（F1为例）
3.3Block1（SRAM）功能划分（F1为例）
片内内存为64KB，其余为保留，保留空间较大，如果ST公司想扩展更多的内存，在保留空间里就可以映射很多的SRAM地址。
3.4Block2（外设）功能划分（F1为例）
4.寄存器映射（熟悉）
寄存器是单片机内部一种特殊的内存，可以实现对单片机各个功能的控制。普通的存储器SRAM只有存储数据的功能。简单来说，寄存器就是单片机内部的控制机构。学习STM32就是学习如何操作寄存器，从而来控制单片机进行工作，无论是HAL库开发、寄存器开发根本目的是操作寄存器，来控制STM32进行工作。
下面以八个开关比喻单片机内部一个8位寄存器，默认值都是0，也就是00000000，如果将右侧第一位置一，可能对单片机的某个功能产生影响。
4.1STM32寄存器分类
内核寄存器可以为Cortex-M3/M4/M7内核中的寄存器，外设寄存器指的是片上外设。
4.2寄存器映射（F1为例）
寄存器是特殊的存储器，给寄存器地址命名的过程，就叫寄存器映射。将寄存器地址0x4001080C映射为寄存器名字为GPIOA_ODR，其中ODR为数据输出寄存器。
4.3寄存器描述解读（F1为例）
STM32的GPIO一组16个，例如PA0~PA15。① 寄存器名字，如果是A组就是GPIOA_ODR；②以GPIOA为例，基地址为0x40010800，偏移量是相对于基地址而言，则GPIOA_ODR地址为0x40010800+0x0C，寄存器复位值为0x0000 0000；③寄存器位表，寄存器从031有32个位，位1631保留；④功能描述，如果将位0置一，则GPIOA01口输出1，也就是3.3V，对寄存器位0写0，则输出0，也就是0V。
4.4寄存器映射举例（F1为例）
直接操作寄存器地址（地址0x4001 080C是GPIOA_ODR寄存器的地址，而对计算机而言地址只是一个数字，强转为指针类型的usigned int&变为指针，指针就是地址，然后在前面加*取指针的值，然后去操作该地址上的值，一次性赋值32位，也就是PA0~PA15全部输出1）：
*(unsigned int *)(0x4001 080C) = 0XFFFF;
定义一个名字后再操作：
#define GPIOA_ODR *(unsigned int *)(0x4001 080C)
GPIOA_ODR = 0XFFFF；
45寄存器地址计算
为了方便编写代码及使用，我们将寄存器地址分为三个部分：
- 总线基地址（BUS_BASE_ADDR）:F1系列，有AHB总线经过桥分为APB1和APB2总线；H7系列，有AHB1/2/3/4经过桥变为APB1/2/3/4。
- 外设基于总线基地址的偏移量（PERIPH_OFFSET）：假设外设是挂载在APB2总线上的，知道偏移量就可以知道外设寄存器的基地址。
- 寄存器相对外设基地址的偏移量（REG_OFFSET）：寄存器地址 = BUS_BASE_ADDR + PERIPH_OFFSET + REG_OFFSET
总线基地址：
APB1总线的基地址，也叫外设基地址（PERIPH_BASE），此表的偏移量：是相对外设基地址（PERIPH_BASE）来说的。（参考资料：STM32F10xxx参考手册_V10（中文版）.pdf 2.3小节）
GPIO外设基地址及偏移量：
此表的偏移量：是相对APB2外设基地址（APB2PERIPH_BASE）来说的。
GPIOA外设基地址及偏移量：
此表的偏移量：是相对GPIOA外设基地址（GPIOA_BASE）来说的。
GPIOA_ODR寄存器地址计算过程：
1，获取外设挂在哪个总线上面？查：系统结构图
2，获取总线基地址，APB2总线基地址：0X4001 0000
3，获取外设地址偏移量，GPIOA相对APB2总线偏移量是：0X800
4，获取寄存器地址偏移量，ODR相对GPIOA外设基地址的偏移量是：0X0C
寄存器地址 = BUS_BASE_ADDR + PERIPH_OFFSET + REG_OFFSET
GPIOA_ODR = 0X4001 0000 + 0X800 + 0X0C = 0X4001 080C
使用结构体，可以很方便的完成对寄存器的映射：（详见：stm32f103xe.h，725行开始）结构体分配内存是连续的空间，每个变量是4个字节，总共28个字节，而寄存器偏移地址正好每次偏移4，刚好和该结构体对齐，所以利用该特点可以一次性映射7个寄存器地址。
typedef struct
{
__IO uint32_t CRL;
__IO uint32_t CRH;
__IO uint32_t IDR;
__IO uint32_t ODR;
__IO uint32_t BSRR;
__IO uint32_t BRR;
__IO uint32_t LCKR;
} GPIO_TypeDef;
GPIOA_BASE： 0X4001 0800
在STM32中将基地址GPIOA_BASE强转为GPIO_TypeDef*类型指针，映射为GPIOA一次性包含7个寄存器。
#define GPIOA ((GPIO_TypeDef *)GPIOA_BASE)
&GPIOA->CRL： 0X4001 0800
&GPIOA->CRH： 0X4001 0804
&GPIOA->IDR： 0X4001 0808
&GPIOA->ODR： 0X4001 080C
实际应用：
GPIOA-> ODR = 0XFFFF；
stm32f103xe.h主要组成部分：
5.总结（了解）
